020 6

Fotosyntezo - ujarzmianie energii 203

Powiązania tematyczne

Porównanie oddychania tlenowego z fotosyntezą

Fotosynteza i oddychanie tlenowe mają wiele wspólnych cech. Oba procesy są ściśle związane z wymaganiami energetycznymi żywych organizmów; oba są podstawą życia. Równania sumaryczne oddychania tlenowego i fotosyntezy wydają się niemal całkowicie przeciwstawne.

Równanie fotosyntezy:

6CO, + 12H,0 ^{energia<wiellna}> C₍,H, A, + 60₂ + 6H,0 Równanie oddychania tlenowego:

C₆H₁₂0₆ + 60₂ + 6H_:0-» 6C0₂ + 12H_:0 + ATP (energia)

Porównajmy inne aspekty tych dwu procesów.

1.    Surowce. Substancjami wyjściowymi w fotosyntezie są C0₂ i HA a w oddychaniu tlenowym C₆H_!20₆ i 0₂.

2.    Produkty końcowe. W wyniku fotosyntezy powstaje C₆H,₂0₆ i HA ^{a w} wyniku oddychania tlenowego C0₂ i H₂Ó.

3.    Komórki, w których zachodzą te procesy. Fotosynteza przebiega tylko w komórkach zawierających chlorofil, podczas gdy oddychanie tlenowe (lub inne szlaki metaboliczne wyzwalające energię) odbywa się w każdej aktywnie metabolizującej komórce wszystkich organizmów.

4.    Niezbędne warunki Fizyczne. Fotosynteza odbywa się tylko na świetle (chociaż reakcje niezależne od światła przebiegają w ciemności), natomiast oddychanie przebiega zarówno na świetle, jak i w ciemności.

5.    Organelle uczestniczące w tych procesach. Miejscem fotosyntezy jest chloroplast, podczas gdy oddychanie tlenowe przebiega w cytozolu (glikoliza) i w mitochondrium.

6.    Synteza ATP. W czasie fotosyntezy ATP powstaje kosztem energii świetlnej (fotofosforylacja), natomiast w oddychaniu tlenowym ATP zostaje wytworzony w wyniku fosforylacji substratowej i wskutek utleniania cząsteczek substancji pokarmowych (fosforylacja oksydacyjna).

7.    Związek wysokoenergetyczny przenoszący wodór. NADP' jest redukowany (do NADPH) w fotosyntezie, a NAD⁺ jest redukowany (do NADH) w oddychaniu.

8.    Powiązania między ATP i NADPH/NADH. W fotosyntezie zarówno ATP, jak i NADPH są wytwarzane w reakcjach zależnych od światła i oba związki są wykorzystywane do sterowania reakcjami niezależnymi od światła; energia NADH wytwarzanego we wczesnych stadiach oddychania tlenowego jest wykorzystywana do tworzenia ATP, który z kolei jest używany do wykonywania użytecznej pracy w komórce.

9.    Kierunek przepływu energii. W fotosyntezie: energia świetlna —> chlorofil —» NADPH/ATP -a- cząsteczki cukru; w oddychaniu: energia cząsteczek substancji pokarmowych (cukier) —> NADH/ATP —» energia na pracę w komórce.

10. Kierunek przepływu atomów wodoru (i ich wysokoenergetycznych elektronów). W fotosyntezie: atomy wodoru z wody —» NADPH —> cukier; w oddychaniu tlenowym: atomy wodoru z cząsteczek substancji pokarmowych (cukier) —» NADH —> 0₂ tworzący wodę.

Streszczenie

I.    Większość producentów to fotosyntetyzujące autotrofy wykorzystujące światło jako źródło energii do syntezy związków organicznych z dwutlenku węgla i wody.

II.    U roślin fotosynteza odbywa się w chloroplastach, które występują głównie w komórkach mezofilu liścia.

A.    Chloroplasty są organellami otoczonymi podwójną błoną: błona wewnętrzna otacza strome i tylakoidy.

B.    Chlorofil i inne barwniki fotosyntetyczne występują w błonach tylakoidów chloroplastów.

C.    Tylakoidy są ułożone w stosy zwane granami.

III.    Podczas fotosyntezy energia świetlna pochłaniana przez chlorofil jest wykorzystywana w procesie chemicznym do łączenia wodoru z wody z dwutlenkiem węgla, w wyniku czego powstają węglowodany. Jako produkt uboczny uwalnia się tlen.

A. W reakcjach fotosyntetycznych zależnych od światła chlorofil pochłania światło i przechodzi w stan wzbudzenia. Część energii wzbudzonego chlorofilu jest wykorzystywana do wytwarzania ATP. a część do rozkładu cząsteczki wody. Wodór pochodzący z wody jest przenoszony na NADP⁺, wskutek czego powstaje NADPH.

B. W fotosyntetycznych reakcjach niezależnych od światła energia ATP i NADPH jest wykorzystywana do tworzenia cząsteczek węglowodanów z C0₂.

IV.    Chlorofil jest barwnikiem, który ujarzmia energię świetlną. Jego widmo absorpcji jest bardzo podobne do widma działania fotosyntezy.

V.    Światło ma zarazem właściwości falowe i korpuskularne. Cząstki energii świetlnej, zwane fotonami, mogą wzbudzać cząsteczki barwnika, takiego jak chlorofil. Wybite z chlorofilu wysokoenergetyczne elektrony są przyjmowane przez akceptory elektronów.

A.    Cząsteczki chlorofilu i barwników dodatkowych tworzą fotosystemy.

B.    Jedynie szczególny rodzaj chlorofilu - chlorofil a - występujący w centrum reakcji fotosystemu, przekazuje wzbudzony elektron najbliższemu akceptorowi elektronów.

VI. W fotosyntetycznej fosforylacji niecyklicznej elektrony