Každý živý tvor na planéte potrebuje na prežitie potravu alebo energiu. Niektoré organizmy sa živia inými tvormi, zatiaľ čo iné si môžu produkovať svoje vlastné živiny. Produkujú si vlastnú potravu, glukózu, v procese nazývanom fotosyntéza.

Fotosyntéza a dýchanie sú vzájomne prepojené. Výsledkom fotosyntézy je glukóza, ktorá sa ukladá ako chemická energia. Táto uložená chemická energia je výsledkom premeny anorganického uhlíka (oxidu uhličitého) na organický uhlík. Proces dýchania uvoľňuje uloženú chemickú energiu.

Okrem produktov, ktoré vyrábajú, potrebujú rastliny na prežitie aj uhlík, vodík a kyslík. Voda absorbovaná z pôdy poskytuje vodík a kyslík. Počas fotosyntézy sa uhlík a voda používajú na syntézu potravy. Rastliny tiež potrebujú dusičnany na tvorbu aminokyselín (aminokyselina je zložka na výrobu bielkovín). Okrem toho potrebujú horčík na výrobu chlorofylu.

Poznámka:Živé veci, ktoré závisia od iných potravín, sa nazývajú . Bylinožravce, ako sú kravy a rastliny, ktoré jedia hmyz, sú príkladmi heterotrofov. Živé tvory, ktoré si vyrábajú vlastnú potravu, sa nazývajú. Zelené rastliny a riasy sú príkladmi autotrofov.

V tomto článku sa dozviete viac o tom, ako prebieha fotosyntéza v rastlinách a aké sú podmienky potrebné na tento proces.

Definícia fotosyntézy

Fotosyntéza je chemický proces, pri ktorom rastliny, niektoré riasy, produkujú glukózu a kyslík z oxidu uhličitého a vody, pričom ako zdroj energie využívajú iba svetlo.

Tento proces je pre život na Zemi mimoriadne dôležitý, pretože sa pri ňom uvoľňuje kyslík, od ktorého závisí všetok život.

Prečo rastliny potrebujú glukózu (potravu)?

Rovnako ako ľudia a iné živé bytosti, aj rastliny potrebujú výživu, aby prežili. Význam glukózy pre rastliny je nasledovný:

• Glukóza produkovaná fotosyntézou sa používa počas dýchania na uvoľnenie energie, ktorú rastlina potrebuje pre ďalšie životne dôležité procesy.
• Rastlinné bunky tiež premieňajú časť glukózy na škrob, ktorý sa používa podľa potreby. Z tohto dôvodu sa mŕtve rastliny využívajú ako biomasa, pretože uchovávajú chemickú energiu.
• Glukóza je potrebná aj na výrobu iných chemikálií, ako sú bielkoviny, tuky a rastlinné cukry potrebné na podporu rastu a iných dôležitých procesov.

Fázy fotosyntézy

Proces fotosyntézy je rozdelený do dvoch fáz: svetla a tmy.

Svetelná fáza fotosyntézy

Ako už názov napovedá, svetelné fázy vyžadujú slnečné svetlo. Pri reakciách závislých od svetla je energia slnečného žiarenia absorbovaná chlorofylom a premenená na uloženú chemickú energiu vo forme molekuly nosiča elektrónov NADPH (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát) a molekuly energie ATP (adenozín trifosfát). Svetelné fázy sa vyskytujú v tylakoidných membránach v chloroplastoch.

Temná fáza fotosyntézy alebo Calvinov cyklus

V tmavej fáze alebo Calvinovom cykle poskytujú excitované elektróny zo svetlej fázy energiu na tvorbu sacharidov z molekúl oxidu uhličitého. Fázy nezávislé na svetle sa niekedy nazývajú Calvinov cyklus kvôli cyklickej povahe procesu.

Tmavé fázy síce nevyužívajú svetlo ako reaktant (a v dôsledku toho sa môžu vyskytnúť počas dňa alebo noci), ale na svoje fungovanie vyžadujú produkty reakcií závislých od svetla. Svetlo nezávislé molekuly závisia od molekúl nosiča energie ATP a NADPH, aby vytvorili nové molekuly sacharidov. Akonáhle je energia prenesená, molekuly nosiča energie sa vrátia do svetelných fáz, aby produkovali viac energetických elektrónov. Okrem toho sa svetlom aktivuje niekoľko enzýmov tmavej fázy.

Schéma fáz fotosyntézy

Poznámka: To znamená, že tmavé fázy nebudú pokračovať, ak sú rastliny príliš dlho zbavené svetla, pretože využívajú produkty svetlých fáz.

Štruktúra listov rastlín

Nemôžeme plne študovať fotosyntézu bez toho, aby sme vedeli viac o štruktúre listu. List je prispôsobený na to, aby zohrával dôležitú úlohu v procese fotosyntézy.

Vonkajšia štruktúra listov

• Námestie

Jednou z najdôležitejších vlastností rastlín je veľká plocha ich listov. Väčšina zelených rastlín má široké, ploché a otvorené listy, ktoré sú schopné zachytiť toľko slnečnej energie (slnečného svetla), koľko je potrebné na fotosyntézu.

• Centrálna žila a stopka

Centrálna žila a stopka sa spájajú a tvoria základ listu. Stopka umiestni list tak, aby dostal čo najviac svetla.

• Listová čepeľ

Jednoduché listy majú jednu listovú čepeľ, zatiaľ čo zložité listy majú niekoľko. Listová čepeľ je jednou z najdôležitejších zložiek listu, ktorá sa priamo podieľa na procese fotosyntézy.

• Žily

Sieť žíl v listoch prenáša vodu zo stoniek do listov. Uvoľnená glukóza je tiež posielaná do iných častí rastliny z listov cez žily. Tieto časti listu navyše podporujú a udržujú čepeľ listu plochú pre lepšie zachytenie slnečného svetla. Usporiadanie žiliek (venácia) závisí od druhu rastliny.

• Listová základňa

Báza listu je jeho najnižšia časť, ktorá je kĺbovo spojená so stonkou. Na spodnej časti listu je často pár paličiek.

• Okraj listu

V závislosti od typu rastliny môže mať okraj listu rôzne tvary, vrátane: celistvého, zubatého, zúbkovaného, ​​vrúbkovaného, ​​vrúbkovaného atď.

• Špička listu

Rovnako ako okraj listu, aj hrot má rôzne tvary, vrátane: ostrý, zaoblený, tupý, predĺžený, vytiahnutý atď.

Vnútorná štruktúra listov

Nižšie je podrobný diagram vnútornej štruktúry tkanív listov:

• Kutikula

Kutikula pôsobí ako hlavná, ochranná vrstva na povrchu rastliny. Na vrchu listu je spravidla hrubší. Kutikula je pokrytá voskovitou látkou, ktorá chráni rastlinu pred vodou.

• Epidermis

Epidermis je vrstva buniek, ktorá je krycím tkanivom listu. Jeho hlavnou funkciou je chrániť vnútorné tkanivá listu pred dehydratáciou, mechanickým poškodením a infekciami. Reguluje tiež proces výmeny plynov a transpirácie.

• mezofyl

Mesofyl je hlavným tkanivom rastliny. Tu prebieha proces fotosyntézy. Vo väčšine rastlín je mezofyl rozdelený do dvoch vrstiev: horná je palisádová a spodná je hubovitá.

• Obranné klietky

Ochranné bunky sú špecializované bunky v epiderme listov, ktoré sa používajú na kontrolu výmeny plynov. Vykonávajú ochrannú funkciu pre prieduchy. Stomatálne póry sa zväčšia, keď je voda voľne dostupná, inak sa ochranné bunky stanú pomalými.

• Stómia

Fotosyntéza závisí od prenikania oxidu uhličitého (CO2) zo vzduchu cez prieduchy do tkaniva mezofylu. Kyslík (O2), produkovaný ako vedľajší produkt fotosyntézy, opúšťa rastlinu cez prieduchy. Keď sú prieduchy otvorené, voda sa stráca odparovaním a musí sa nahradiť cez transpiračný prúd vodou absorbovanou koreňmi. Rastliny sú nútené vyrovnávať množstvo absorbovaného CO2 zo vzduchu a stratu vody cez stomatálne póry.

Podmienky potrebné pre fotosyntézu

Nasledujú podmienky, ktoré rastliny potrebujú na uskutočnenie procesu fotosyntézy:

• Oxid uhličitý. Bezfarebný prírodný plyn bez zápachu, ktorý sa nachádza vo vzduchu a má vedecký názov CO2. Vzniká pri spaľovaní uhlíka a organických zlúčenín a vyskytuje sa aj pri dýchaní.
• Voda. Číra, tekutá chemikália, ktorá je bez zápachu a chuti (za normálnych podmienok).
• Svetlo. Aj keď je umelé svetlo dobré aj pre rastliny, prirodzené slnečné svetlo vo všeobecnosti poskytuje lepšie podmienky pre fotosyntézu, pretože obsahuje prirodzené ultrafialové žiarenie, ktoré má na rastliny pozitívny vplyv.
• Chlorofyl. Je to zelený pigment nachádzajúci sa v listoch rastlín.
• Živiny a minerály. Chemikálie a organické zlúčeniny, ktoré korene rastlín absorbujú z pôdy.

Čo vzniká ako výsledok fotosyntézy?

• glukóza;
• Kyslík.

(Svetelná energia je uvedená v zátvorkách, pretože nejde o hmotu)

Poznámka: Rastliny získavajú CO2 zo vzduchu cez listy a vodu z pôdy cez korene. Svetelná energia pochádza zo Slnka. Vzniknutý kyslík sa uvoľňuje do vzduchu z listov. Výsledná glukóza sa môže premeniť na iné látky, ako je škrob, ktorý sa používa ako zásobáreň energie.

Ak faktory podporujúce fotosyntézu chýbajú alebo sú prítomné v nedostatočnom množstve, rastlina môže byť negatívne ovplyvnená. Napríklad menej svetla vytvára priaznivé podmienky pre hmyz, ktorý požiera listy rastliny, a nedostatok vody ho spomaľuje.

Kde prebieha fotosyntéza?

Fotosyntéza prebieha vo vnútri rastlinných buniek, v malých plastidoch nazývaných chloroplasty. Chloroplasty (väčšinou sa nachádzajú v mezofylovej vrstve) obsahujú zelenú látku nazývanú chlorofyl. Nižšie sú uvedené ďalšie časti bunky, ktoré spolupracujú s chloroplastom na fotosyntéze.

Štruktúra rastlinnej bunky

Funkcie častí rastlinných buniek

• : poskytuje štrukturálnu a mechanickú podporu, chráni bunky pred, fixuje a určuje tvar buniek, riadi rýchlosť a smer rastu a dáva tvar rastlinám.
• : poskytuje platformu pre väčšinu enzýmovo riadených chemických procesov.
• : pôsobí ako bariéra, ktorá riadi pohyb látok do bunky a von z bunky.
• : ako je opísané vyššie, obsahujú chlorofyl, zelenú látku, ktorá absorbuje svetelnú energiu prostredníctvom procesu fotosyntézy.
• : dutina v bunkovej cytoplazme, ktorá uchováva vodu.
• : obsahuje genetickú značku (DNA), ktorá riadi činnosť bunky.

Chlorofyl absorbuje svetelnú energiu potrebnú na fotosyntézu. Je dôležité poznamenať, že nie všetky farebné vlnové dĺžky svetla sú absorbované. Rastliny primárne absorbujú červené a modré vlnové dĺžky - neabsorbujú svetlo v zelenej oblasti.

Oxid uhličitý počas fotosyntézy

Rastliny prijímajú oxid uhličitý zo vzduchu cez listy. Oxid uhličitý uniká cez malý otvor v spodnej časti listu - prieduch.

Spodná časť listu má voľne rozmiestnené bunky, aby oxid uhličitý mohol dosiahnuť ďalšie bunky v listoch. To tiež umožňuje, aby kyslík produkovaný fotosyntézou ľahko opustil list.

Oxid uhličitý je prítomný vo vzduchu, ktorý dýchame, vo veľmi nízkych koncentráciách a je nevyhnutným faktorom v temnej fáze fotosyntézy.

Svetlo počas fotosyntézy

List má zvyčajne veľkú plochu, takže môže absorbovať veľa svetla. Jeho vrchný povrch je chránený pred stratou vody, chorobami a poveternostnými vplyvmi voskovou vrstvou (kutikulou). Horná časť plachty je miesto, kde dopadá svetlo. Táto mezofylová vrstva sa nazýva palisáda. Je prispôsobený na pohltenie veľkého množstva svetla, pretože obsahuje veľa chloroplastov.

Počas svetelných fáz sa proces fotosyntézy zvyšuje s väčším množstvom svetla. Viac molekúl chlorofylu sa ionizuje a vytvára sa viac ATP a NADPH, ak sú svetelné fotóny sústredené na zelenom liste. Aj keď je svetlo vo fotofázach mimoriadne dôležité, treba poznamenať, že nadmerné množstvo môže poškodiť chlorofyl a znížiť proces fotosyntézy.

Svetelné fázy nie sú veľmi závislé od teploty, vody alebo oxidu uhličitého, hoci všetky sú potrebné na dokončenie procesu fotosyntézy.

Voda počas fotosyntézy

Rastliny získavajú vodu potrebnú na fotosyntézu cez korene. Majú koreňové chĺpky, ktoré rastú v pôde. Korene sa vyznačujú veľkou povrchovou plochou a tenkými stenami, ktoré umožňujú vode cez ne ľahko prechádzať.

Obrázok ukazuje rastliny a ich bunky s dostatkom vody (vľavo) a jej nedostatkom (vpravo).

Poznámka: Koreňové bunky neobsahujú chloroplasty, pretože sú zvyčajne v tme a nemôžu sa fotosyntetizovať.

Ak rastlina neabsorbuje dostatok vody, vädne. Bez vody nebude rastlina schopná dostatočne rýchlo fotosyntetizovať a môže dokonca zomrieť.

Aký význam má voda pre rastliny?

• Poskytuje rozpustené minerály, ktoré podporujú zdravie rastlín;
• Je prostriedkom na prepravu;
• Udržuje stabilitu a vzpriamenosť;
• Chladí a nasýti vlhkosťou;
• Umožňuje uskutočňovať rôzne chemické reakcie v rastlinných bunkách.

Význam fotosyntézy v prírode

Biochemický proces fotosyntézy využíva energiu slnečného žiarenia na premenu vody a oxidu uhličitého na kyslík a glukózu. Glukóza sa v rastlinách používa ako stavebné kamene na rast tkanív. Fotosyntéza je teda metóda, pri ktorej sa tvoria korene, stonky, listy, kvety a plody. Bez procesu fotosyntézy nebudú rastliny schopné rásť ani sa rozmnožovať.

• Výrobcovia

Rastliny sú vďaka svojej fotosyntetickej schopnosti známe ako producenti a slúžia ako základ takmer každého potravinového reťazca na Zemi. (Riasy sú ekvivalentom rastlín v). Všetko jedlo, ktoré jeme, pochádza z organizmov, ktoré sú fotosyntetické. Tieto rastliny jeme priamo alebo jeme zvieratá, ako sú kravy alebo ošípané, ktoré konzumujú rastlinnú potravu.

• Základ potravinového reťazca

V rámci vodných systémov tvoria základ potravinového reťazca aj rastliny a riasy. Riasy slúžia ako potrava, ktorá zasa pôsobí ako zdroj výživy pre väčšie organizmy. Bez fotosyntézy vo vodnom prostredí by život nebol možný.

• Odstránenie oxidu uhličitého

Fotosyntéza premieňa oxid uhličitý na kyslík. Počas fotosyntézy sa oxid uhličitý z atmosféry dostáva do rastliny a potom sa uvoľňuje ako kyslík. V dnešnom svete, kde hladiny oxidu uhličitého stúpajú alarmujúcim tempom, je každý proces, ktorý odstraňuje oxid uhličitý z atmosféry, z hľadiska životného prostredia dôležitý.

• Kolobeh živín

Rastliny a iné fotosyntetické organizmy hrajú dôležitú úlohu v kolobehu živín. Dusík vo vzduchu je fixovaný v rastlinnom tkanive a stáva sa dostupným pre tvorbu bielkovín. Mikroživiny nachádzajúce sa v pôde sa môžu tiež začleniť do rastlinného tkaniva a stať sa dostupnými pre bylinožravce ďalej v potravinovom reťazci.

• Fotosyntetická závislosť

Fotosyntéza závisí od intenzity a kvality svetla. Na rovníku, kde je dostatok slnečného svetla po celý rok a voda nie je obmedzujúcim faktorom, majú rastliny vysokú rýchlosť rastu a môžu byť dosť veľké. Naopak, fotosyntéza sa vyskytuje menej často v hlbších častiach oceánu, pretože svetlo nepreniká týmito vrstvami, čo vedie k neplodnejšiemu ekosystému.

Ako sa energia slnečného svetla premieňa vo svetlej a tmavej fáze fotosyntézy na energiu chemických väzieb glukózy? Vysvetli svoju odpoveď.

Odpoveď

Vo svetelnej fáze fotosyntézy sa energia slnečného žiarenia premení na energiu excitovaných elektrónov a následne sa energia excitovaných elektrónov premení na energiu ATP a NADP-H2. V temnej fáze fotosyntézy sa energia ATP a NADP-H2 premieňa na energiu chemických väzieb glukózy.

Čo sa deje počas svetelnej fázy fotosyntézy?

Odpoveď

Elektróny chlorofylu, excitované svetelnou energiou, putujú pozdĺž elektrónových transportných reťazcov, ich energia je uložená v ATP a NADP-H2. Nastáva fotolýza vody a uvoľňuje sa kyslík.

Aké hlavné procesy prebiehajú počas temnej fázy fotosyntézy?

Odpoveď

Z oxidu uhličitého získaného z atmosféry a vodíka získaného v ľahkej fáze vzniká glukóza vďaka energii ATP získanej v ľahkej fáze.

Aká je funkcia chlorofylu v rastlinnej bunke?

Odpoveď

Chlorofyl sa podieľa na procese fotosyntézy: vo fáze svetla chlorofyl absorbuje svetlo, elektrón chlorofylu prijíma svetelnú energiu, odlomí sa a ide pozdĺž elektrónového transportného reťazca.

Akú úlohu zohrávajú elektróny molekúl chlorofylu pri fotosyntéze?

Odpoveď

Elektróny chlorofylu, excitované slnečným svetlom, prechádzajú cez elektrónové transportné reťazce a odovzdávajú svoju energiu tvorbe ATP a NADP-H2.

V akom štádiu fotosyntézy vzniká voľný kyslík?

Odpoveď

Vo fáze svetla, pri fotolýze vody.

Počas ktorej fázy fotosyntézy prebieha syntéza ATP?

Odpoveď

Predsvetelná fáza.

Ktorá látka slúži ako zdroj kyslíka pri fotosyntéze?

Odpoveď

Voda (pri fotolýze vody sa uvoľňuje kyslík).

Rýchlosť fotosyntézy závisí od limitujúcich faktorov vrátane svetla, koncentrácie oxidu uhličitého a teploty. Prečo sú tieto faktory limitujúce pre reakcie fotosyntézy?

Odpoveď

Svetlo je potrebné na excitáciu chlorofylu, dodáva energiu pre proces fotosyntézy. Oxid uhličitý je nevyhnutný v tmavej fáze fotosyntézy, z neho sa syntetizuje glukóza. Zmeny teploty vedú k denaturácii enzýmov a fotosyntetické reakcie sa spomaľujú.

Pri akých metabolických reakciách v rastlinách je oxid uhličitý východiskovým materiálom pre syntézu sacharidov?

Odpoveď

Pri reakciách fotosyntézy.

Proces fotosyntézy sa intenzívne vyskytuje v listoch rastlín. Vyskytuje sa v zrelom a nezrelom ovocí? Vysvetli svoju odpoveď.

Odpoveď

Fotosyntéza prebieha v zelených častiach rastlín na svetle. V šupke zelených plodov teda prebieha fotosyntéza. Fotosyntéza neprebieha vo vnútri plodov ani v šupke zrelých (nie zelených) plodov.

Fotosyntéza a dýchanie sú dva procesy, ktoré sú základom života. Obe sa odohrávajú v cele. Prvý - v rastlinách a niektorých bakteriálnych, druhý - u zvierat, rastlín, húb a baktérií.

Môžeme povedať, že bunkové dýchanie a fotosyntéza sú procesy, ktoré sú si navzájom opačné. To je čiastočne správne, pretože pri prvom sa kyslík absorbuje a uvoľňuje a pri druhom naopak. Je však nesprávne porovnávať tieto dva procesy, pretože sa vyskytujú v rôznych organelách s použitím rôznych látok. Účely, na ktoré sú potrebné, sú tiež rôzne: fotosyntéza je nevyhnutná na získanie živín a bunkové dýchanie je nevyhnutné na výrobu energie.

Fotosyntéza: kde a ako sa to deje?

Ide o chemickú reakciu zameranú na výrobu organických látok z anorganických látok. Predpokladom pre fotosyntézu je prítomnosť slnečného svetla, pretože jeho energia pôsobí ako katalyzátor.

Charakteristiku fotosyntézy rastlín možno vyjadriť nasledujúcou rovnicou:

• 6C02 + 6H20 = C6H1206 + 602.

To znamená, že zo šiestich molekúl oxidu uhličitého a rovnakého počtu molekúl vody za prítomnosti slnečného žiarenia môže rastlina získať jednu molekulu glukózy a šesť kyslíka.

Toto je najjednoduchší príklad fotosyntézy. Okrem glukózy môžu rastliny syntetizovať ďalšie, zložitejšie sacharidy, ako aj organické látky z iných tried.

Tu je príklad výroby aminokyselín z anorganických zlúčenín:

• 6C02 + 4H20 + 2SO42- + 2N03- + 6H+ = 2C3H702NS + 1302.

Aeróbne bunkové dýchanie je charakteristické pre všetky ostatné organizmy, vrátane zvierat a rastlín. Vyskytuje sa za účasti kyslíka.

U predstaviteľov fauny sa bunkové dýchanie vyskytuje v špeciálnych organelách. Nazývajú sa mitochondrie. V rastlinách sa bunkové dýchanie vyskytuje aj v mitochondriách.

Etapy

Bunkové dýchanie prebieha v troch fázach:

1. Prípravná fáza.
2. Glykolýza (anaeróbny proces, nevyžaduje kyslík).
3. Oxidácia (aeróbne štádium).

Prípravná fáza

Prvá fáza spočíva v tom, že zložité látky v tráviacom systéme sa rozkladajú na jednoduchšie. Aminokyseliny sa teda získavajú z bielkovín, mastné kyseliny a glycerol sa získavajú z lipidov a glukóza sa získava z komplexných sacharidov. Tieto zlúčeniny sú transportované do bunky a potom priamo do mitochondrií.

Glykolýza

Spočíva v tom, že pôsobením enzýmov sa glukóza rozkladá na kyselinu pyrohroznovú a atómy vodíka. V tomto prípade vzniká tento proces, ktorý možno vyjadriť nasledujúcou rovnicou:

• C6H1206 = 2C3H303 + 4H + 2ATP.

V procese glykolýzy teda telo môže získať dve molekuly ATP z jednej molekuly glukózy.

Oxidácia

V tomto štádiu vznikajúci pri glykolýze pôsobením enzýmov reaguje s kyslíkom, čo vedie k tvorbe atómov oxidu uhličitého a vodíka. Tieto atómy sú potom transportované do kristov, kde sú oxidované za vzniku vody a 36 molekúl ATP.

Takže v procese bunkového dýchania sa tvorí celkom 38 molekúl ATP: 2 v druhom štádiu a 36 v treťom. Kyselina adenozíntrifosforečná je hlavným zdrojom energie, ktorou mitochondrie dodávajú bunku.

Štruktúra mitochondrií

Organely, v ktorých dochádza k dýchaniu, sa nachádzajú u zvierat, rastlín a rastlín.Majú guľovitý tvar a veľkosť približne 1 mikrón.

Mitochondrie, podobne ako chloroplasty, majú dve membrány oddelené medzimembránovým priestorom. To, čo je vo vnútri membrán tejto organely, sa nazýva matrica. Obsahuje ribozómy, mitochondriálnu DNA (mtDNA) a mtRNA. V matrici prebieha glykolýza a prvý stupeň oxidácie.

Z vnútornej membrány sa vytvárajú záhyby podobné hrebeňom. Nazývajú sa cristae. Tu prebieha druhá etapa tretej etapy bunkového dýchania. Počas nej sa tvorí najviac molekúl ATP.

Pôvod dvojmembránových organel

Vedci dokázali, že štruktúry, ktoré zabezpečujú fotosyntézu a dýchanie, sa v bunke objavili prostredníctvom symbiogenézy. To znamená, že kedysi boli samostatnými organizmami. To vysvetľuje skutočnosť, že mitochondrie aj chloroplasty majú svoje vlastné ribozómy, DNA a RNA.

Fotosyntéza- syntéza organických zlúčenín z anorganických pomocou svetelnej energie (vv). Celková rovnica pre fotosyntézu je:

6CO2 + 6H20 → C6H1206 + 602

Fotosyntéza prebieha za účasti fotosyntetických pigmentov, ktoré majú jedinečnú vlastnosť premieňať energiu slnečného žiarenia na energiu chemickej väzby vo forme ATP. Fotosyntetické pigmenty sú látky podobné bielkovinám. Najdôležitejším z nich je pigment chlorofyl. U eukaryotov sú fotosyntetické pigmenty vložené do vnútornej membrány plastidov, u prokaryotov sú vložené do invaginácií cytoplazmatickej membrány.

Štruktúra chloroplastu je veľmi podobná štruktúre mitochondrií. Vnútorná membrána granatylakoidov obsahuje fotosyntetické pigmenty, ako aj proteíny elektrónového transportného reťazca a molekuly enzýmu ATP syntetázy.

Proces fotosyntézy pozostáva z dvoch fáz: svetla a tmy.

Svetelná fáza Fotosyntéza prebieha iba vo svetle v membráne grana tylakoidu. V tejto fáze chlorofyl absorbuje svetelné kvantá, produkuje molekulu ATP a fotolýzu vody.

Pod vplyvom svetelného kvanta (hv) chlorofyl stráca elektróny a prechádza do excitovaného stavu:

Chl → Chl + e -

Tieto elektróny sú prenášané nosičmi smerom von, t.j. povrch tylakoidnej membrány smerujúci k matrici, kde sa hromadia.

Zároveň vo vnútri tylakoidov dochádza k fotolýze vody, t.j. jeho rozklad pod vplyvom svetla

2H20 →02 + 4H + + 4e —

Výsledné elektróny sú prenášané nosičmi na molekuly chlorofylu a obnovujú ich: molekuly chlorofylu sa vracajú do stabilného stavu.

Vodíkové protóny vznikajúce pri fotolýze vody sa hromadia vo vnútri tylakoidu a vytvárajú tak rezervoár H +. Výsledkom je, že vnútorný povrch tylakoidnej membrány je nabitý kladne (v dôsledku H +) a vonkajší povrch je nabitý záporne (v dôsledku e -). Keď sa opačne nabité častice hromadia na oboch stranách membrány, potenciálny rozdiel sa zvyšuje. Keď potenciálny rozdiel dosiahne kritickú hodnotu, sila elektrického poľa začne tlačiť protóny cez kanál ATP syntetázy. Energia uvoľnená v tomto prípade sa používa na fosforyláciu molekúl ADP:

ADP + P → ATP

Vznik ATP pri fotosyntéze pod vplyvom svetelnej energie je tzv fotofosforylácia.

Vodíkové ióny, ktoré sa nachádzajú na vonkajšom povrchu tylakoidnej membrány, sa tam stretávajú s elektrónmi a vytvárajú atómový vodík, ktorý sa viaže na molekulu nosiča vodíka NADP (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát):

2H+ + 4e - + NADP + → NADP H 2

Počas svetelnej fázy fotosyntézy teda nastávajú tri procesy: tvorba kyslíka v dôsledku rozkladu vody, syntéza ATP a tvorba atómov vodíka vo forme NADP H2. Kyslík difunduje do atmosféry, ATP a NADP H2 sa podieľajú na procesoch tmavej fázy.

Tmavá fáza fotosyntéza prebieha v matrici chloroplastov na svetle aj v tme a predstavuje sériu postupných premien CO 2 prichádzajúceho zo vzduchu v Calvinovom cykle. Reakcie v tmavej fáze sa uskutočňujú pomocou energie ATP. V Calvinovom cykle sa CO 2 viaže s vodíkom z NADP H 2 za vzniku glukózy.

V procese fotosyntézy sa okrem monosacharidov (glukóza atď.) syntetizujú monoméry iných organických zlúčenín - aminokyseliny, glycerol a mastné kyseliny. Rastliny tak vďaka fotosyntéze poskytujú sebe a všetkému živému na Zemi potrebné organické látky a kyslík.

Porovnávacie charakteristiky fotosyntézy a dýchania eukaryotov sú uvedené v tabuľke:

Porovnávacie charakteristiky fotosyntézy a dýchania eukaryotov

Podpísať	Fotosyntéza	Dych
Reakčná rovnica	6CO 2 + 6H 2 O + Svetelná energia → C 6 H 12 O 6 + 6O 2	C6H1206 + 6O2 → 6H20 + energia (ATP)
Východiskové materiály	Oxid uhličitý, voda
Produkty reakcie	Organické látky, kyslík	Oxid uhličitý, voda
Význam v kolobehu látok	Syntéza organických látok z anorganických látok	Rozklad organických látok na anorganické
Premena energie	Premena svetelnej energie na energiu chemických väzieb organických látok	Premena energie chemických väzieb organických látok na energiu vysokoenergetických väzieb ATP
Kľúčové fázy	Svetlá a tmavá fáza (vrátane Calvinovho cyklu)	Neúplná oxidácia (glykolýza) a úplná oxidácia (vrátane Krebsovho cyklu)
Miesto procesu	chloroplast	Hyaloplazma (neúplná oxidácia) a mitochondrie (úplná oxidácia)

Ako už názov napovedá, fotosyntéza je v podstate prirodzená syntéza organických látok, premena CO2 z atmosféry a vody na glukózu a voľný kyslík.

To si vyžaduje prítomnosť slnečnej energie.

Chemická rovnica pre proces fotosyntézy môže byť vo všeobecnosti reprezentovaná takto:

Fotosyntéza má dve fázy: tmavú a svetlú. Chemické reakcie tmavej fázy fotosyntézy sa výrazne líšia od reakcií svetlej fázy, avšak tmavá a svetlá fáza fotosyntézy na sebe navzájom závisia.

Svetelná fáza sa môže vyskytnúť v listoch rastlín výlučne pri slnečnom svetle. Pre tmu je prítomnosť oxidu uhličitého nevyhnutná, a preto ho rastlina musí neustále absorbovať z atmosféry. Všetky porovnávacie charakteristiky tmavej a svetlej fázy fotosyntézy budú uvedené nižšie. Na tento účel bola vytvorená porovnávacia tabuľka „Fázy fotosyntézy“.

Svetelná fáza fotosyntézy

Hlavné procesy vo svetelnej fáze fotosyntézy prebiehajú v tylakoidných membránach. Zahŕňa chlorofyl, elektrónové transportné proteíny, ATP syntetázu (enzým, ktorý urýchľuje reakciu) a slnečné svetlo.

Ďalej možno reakčný mechanizmus opísať takto: keď slnečné svetlo dopadá na zelené listy rastlín, v ich štruktúre sa excitujú elektróny chlorofylu (záporný náboj), ktoré po prechode do aktívneho stavu opúšťajú molekulu pigmentu a skončia na mimo tylakoidu, ktorého membrána je tiež negatívne nabitá. Zároveň dochádza k oxidácii molekúl chlorofylu a redukcii už zoxidovaných, čím sa odoberajú elektróny z vody, ktorá je v štruktúre listu.

Tento proces vedie k tomu, že molekuly vody sa rozpadajú a ióny vznikajúce fotolýzou vody odovzdávajú svoje elektróny a menia sa na OH radikály, ktoré sú schopné vykonávať ďalšie reakcie. Tieto reaktívne OH radikály sa potom spájajú a vytvárajú plnohodnotné molekuly vody a kyslíka. Voľný kyslík v tomto prípade uniká do vonkajšieho prostredia.

V dôsledku všetkých týchto reakcií a transformácií je listová tylakoidná membrána na jednej strane nabitá kladne (v dôsledku iónu H +) a na druhej strane záporne (v dôsledku elektrónov). Keď rozdiel medzi týmito nábojmi na oboch stranách membrány dosiahne viac ako 200 mV, protóny prechádzajú špeciálnymi kanálmi enzýmu ATP syntetázy a vďaka tomu sa ADP premieňa na ATP (v dôsledku procesu fosforylácie). A atómový vodík, ktorý sa uvoľňuje z vody, obnovuje špecifický nosič NADP+ na NADP·H2. Ako vidíme, v dôsledku svetelnej fázy fotosyntézy sa vyskytujú tri hlavné procesy:

1. syntéza ATP;
2. vytvorenie NADP H2;
3. tvorba voľného kyslíka.

Ten sa uvoľňuje do atmosféry a NADP H2 a ATP sa zúčastňujú temnej fázy fotosyntézy.

Temná fáza fotosyntézy

Tmavá a svetlá fáza fotosyntézy sa vyznačuje veľkými energetickými výdajmi zo strany rastliny, ale tmavá fáza prebieha rýchlejšie a vyžaduje menej energie. Reakcie v tmavej fáze nevyžadujú slnečné svetlo, takže môžu prebiehať vo dne aj v noci.

Všetky hlavné procesy tejto fázy prebiehajú v stróme rastlinného chloroplastu a predstavujú jedinečný reťazec postupných premien oxidu uhličitého z atmosféry. Prvou reakciou v takomto reťazci je fixácia oxidu uhličitého. Aby to bolo plynulejšie a rýchlejšie, príroda poskytla enzým RiBP-karboxylázu, ktorý katalyzuje fixáciu CO2.

Ďalej nastáva celý cyklus reakcií, ktorých zavŕšením je premena kyseliny fosfoglycerovej na glukózu (prírodný cukor). Všetky tieto reakcie využívajú energiu ATP a NADP H2, ktoré vznikli vo svetelnej fáze fotosyntézy. Pri fotosyntéze vznikajú okrem glukózy aj ďalšie látky. Medzi nimi sú rôzne aminokyseliny, mastné kyseliny, glycerol a nukleotidy.

Fázy fotosyntézy: porovnávacia tabuľka

Porovnávacie kritériá	Svetelná fáza	Tmavá fáza
slnečné svetlo	Požadovaný	Nevyžaduje sa
Miesto reakcie	Chloroplast grana	Chloroplastová stróma
Závislosť od zdroja energie	Závisí od slnečného žiarenia	Závisí od ATP a NADP H2 vytvorených vo fáze svetla a od množstva CO2 z atmosféry
Východiskové materiály	Chlorofyl, elektrónové transportné proteíny, ATP syntetáza	Oxid uhličitý
Podstata fázy a to, čo sa tvorí	Uvoľňuje sa voľný O2, vzniká ATP a NADP H2	Tvorba prírodného cukru (glukózy) a absorpcia CO2 z atmosféry

Fotosyntéza – video