Fotosynteza
Chloroplasty i barwniki fotosyntetyczne
Przedstawisz rolę barwników i fotosystemów w procesie fotosyntezy.
Wykażesz zależność pomiędzy budową chloroplastu a procesem fotosyntezy.
W procesie fotosyntezy energia świetlna zostaje zużytkowana do syntezy związków organicznych, które stanowią składniki pokarmowe dla organizmów. Aby jednak światło mogło zostać wykorzystane przez komórki samożywnych bakterii, protistów i roślin, musi najpierw zostać wychwycone, a jego energia przekształcona w energię chemiczną. Za absorbcję światła odpowiadają barwniki fotosyntetyczne - barwne związki organiczne, które mają zdolność do pochłaniania światła o różnych długościach fal
Światło widzialne
Fale elektromagnetyczne to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenia pola elektrycznego i magnetycznego. Można je uporządkować według charakterystycznych parametrów: długości i częstotliwości fali. Takie uporządkowanie nazywa się widmem (spektrum) elektromagnetycznymwidmem (spektrum) elektromagnetycznym.
Światło widzialne jest niewielkim wycinkiem widma elektromagnetycznego, na który reagują fotoreceptoryfotoreceptory obecne w siatkówcesiatkówce ludzkiego oka. Człowiek postrzega światło widzialne jako białe, choć składa się ono z mieszaniny fal o różnej długości, od 380 do 750 nm.
Światło widzialne, przechodząc przez pryzmatpryzmat, ulega rozszczepieniu na składowe o różnej długości fali, co pozwala zaobserwować widmo barw.
Światło widzialne jest strumieniem fotonówfotonów – cząstek elementarnych, niemających masy i stanowiących kwantykwanty (porcje) energii. Energia fotonów jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali. Oznacza to, że im krótsza fala elektromagnetyczna, tym więcej energii ze sobą niesie, i odwrotnie – im dłuższa fala elektromagnetyczna, tym mniej niesie energii.
Fotosynteza jest procesem zależnym od światła widzialnego. Pozostałe składowe promieniowania elektromagnetycznego nie mają wpływu na jej przebieg. Dzieje się tak dlatego, że światło widzialne dociera do powierzchni Ziemi i zawiera odpowiednią ilość energii, aby wzbudzić cząsteczki barwników fotosyntetycznych. Promieniowanie o większej długości fali, np. podczerwone, także przenika ziemską atmosferę, ale ma mniejszą energię od światła widzialnego, zatem nie wzbudza cząsteczek barwników fotosyntetycznych. Promieniowanie o mniejszej długości fali, np. ultrafioletowe, w większości jest pochłanianie przez warstwę ozonową, jednak częściowo przenika przez atmosferę. Ultrafiolet niesie ze sobą więcej energii niż światło widzialne, co doprowadza do uszkodzenia barwników fotosyntetycznych. Światło widzialne jest więc czynnikiem niezbędnym do przebiegu procesu fotosyntezy.
Barwniki fotosyntetyczne
Barwniki fotosyntetyczne to związki chemiczne występujące u organizmów fotoautotroficznychorganizmów fotoautotroficznych, które pochłaniają energię świetlną umożliwiając zachodzenie fotosyntezy.
Wyróżnia się dwie grupy barwników fotosyntetycznych:
główne, do których zalicza się chlorofile i bakteriochlorofile,
pomocnicze, do których zalicza się karotenoidy i fikobiliny
Chlorofile to zielone barwniki występujące u sinic, protistów roslinopodobnych i roślin.
Istnieje kilka rodzajów chlorofili oznaczanych pierwszymi literami alfabetu - chlorofil a, chlorofil b, chlorofil c i chlorofil d. U wszystkich organizmów fotosyntetyzujących, w których produktem ubocznym fotosyntezy jest tlen – sinice, protisty roślinopodobne i rośliny – występuje chlorofil a, w którym do pierścienia porfirynowego dołączona jest grupa metylowa (-CHIndeks dolny 33). Natomiast u zielenic – roślin pierwotnie wodnych, a także u wszystkich roślin wyższych występuje także chlorofil b zawierający grupę aldehydową (-CHO).
Chlorofile pochłaniają światło widzialne w zakresie fal niebieskich i czerwonych, przy czym maksima absorpcyjne chlorofilu a i b nieco się różnią. Oba rodzaje chlorofilu pochłaniają tylko w minimalnym stopniu światło zielone, które ulegając odbiciu od cząsteczek barwnika sprawia, że rośliny są zielone.
Karotenoidy są pomocniczymi barwnikami fotosyntetycznymi, które absorbują światło widzialne w zakresie fal fioletowo‑niebieskiego i zielonego. Zalicza się do nich pomarańczowo‑czerwone czerwone karoteny i żółte ksantofile.
Ponieważ karotenoidy absorbują światło którego chlorofile nie pochłaniają wcale lub pochłaniają słabo, poszerzają one zakres światła wykorzystywanego w fotosyntezie. Oprócz tego nadają barwę kwiatom, owocom i nasionom oraz pełnią funkcje fotoprotekcyjne.
U organizmów fotosyntetyzujących występuje ogromna różnorodność barwników pomocniczych i głównych. U protistów roślinopodobnych - brunatnic, występuje w dużych ilościach ksantofil - fukoksantyna, która silnie pochłania światło niebiesko‑zielone, a odbija światło żółto pomarańczowe. Fikobiliny z kolei, to barwniki pomocnicze występujące u sinic i krasnorostów, które pochłaniają światło słabo absorbowane przez chlorofil, głównie w zakresie zielonym i pomarańczowym i przekazują energię do fotosystemów. Przykładami są fikocyjanina (niebieska), fikoerytryna (czerwona).
Natomiast bakteriochlorofile to główne barwniki fotosyntetyczne występujące u bakterii fotosyntetyzujących (np. purpurowych, zielonych siarkowych), różniące się budową od chlorofilu roślinnego. Pochłaniają światło o innej długości fali, często w podczerwieni, co umożliwia im fotosyntezę w warunkach niedoboru światła.
Fotosystemy
W chloroplastach barwniki fotosyntetyczne są zorganizowane w kompleksy barwnikowo‑białkowo‑lipidowe zwane fotosystemami (fotoukładami, oznaczane jako PS, od angielskiej nazwy: photosystem). Znajdują się one w błonach tylakoidów.
W każdym fotosystemie można wyróżnić:
układ antenowy,
rdzeń z centrum reakcji i pierwotnym akceptorem elektronów.
Układ antenowy składa się z kilkuset cząsteczek chlorofilu a i b oraz karotenoidów. Otacza on centralnie położony białkowy rdzeń zawierający centrum reakcji zbudowane z pary zmodyfikowanych cząsteczek chlorofilu a. Z białkami rdzenia związany jest również pierwotny akceptor elektronówpierwotny akceptor elektronów, który odbiera wybity pod wpływem światła elektron z centrum reakcji.
Wyróżnia się dwa rodzaje fotosystemów:
fotosystem I (PSI), w którego centrum reakcji znajdują się cząsteczki chlorofilu a P700 o maksimum absorpcji fali 700 nm,
fotosystem II (PSII), w którego centrum reakcji znajdują się cząsteczki chlorofilu a P680 o maksimum absorpcji fali o długości 700 nm.
Fotosystem PSI występuje głównie w tylakoidach stromy, natomiast fotosystem PSII w tylakoidach gran. W błonach tylakoidów pomiędzy fotosystemami wbudowane są przenośniki elektronów i protonów tworzące fotosyntetyczny łańcuch transportu elektronów.
Przypomnij sobie budowę chloroplastów komórek roślinnych
Półpłynne wnętrze chloroplastów, tzw. stromę, otaczają dwie błony – błona zewnętrzna i błona wewnętrzna. Znajduje się w nim układ połączonych ze sobą błon i pęcherzyków, czyli tylakoidów, formujących system lammellarny. Tylakoidy mogą tworzyć w niektórych miejscach ułożone w stosy pęcherzyki zwane tylakoidami gran lub w postaci wydłużonych tylakoidów stromy łączyć ze sobą tylakoidy gran.
Co się dzieje w fotosystemie?
W fotosystemach zachodzą reakcje fotochemiczne inicjujące proces fotosyntezy.
Polegają one na tym, że zabsorbowany foton wzbudza elektron jednego z atomów cząsteczki barwnika fotosyntetycznego. Wskutek tego elektron dotychczas znajdujący się w stanie podstawowym przechodzi w stan wzbudzenia. Przejawia się to przeniesieniem elektronu na powłokę elektronową o wyższym poziomie energetycznym.
W fotosystemach wzbudzeniu ulegają najpierw cząsteczki barwników w układzie antenowym, po czym przekazują swoją energię do centrum reakcji. Powoduje to ostatecznie wzbudzenie oraz wybicie elektronu z cząsteczki znajdującego się w nim chlorofilu a.
Wybity i zasilony energią fotonu elektron z P680 lub P700 jest przyjmowany przez cząsteczkę pierwotnego akceptora elektronów, a następnie przekazywany na kolejne ogniwa fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów.
Podsumowanie
Światło widzialne to zakres promieniowania elektromagnetycznego o długościach fal od około 400 do 700 nanometrów.
Energia zawarta w świetle jest pochłaniana przez barwniki fotosyntetyczne, głównie chlorofile, ale także karotenoidy. Barwniki te występują w błonie tylakoidów w chloroplastach.
W tylakoidach znajdują się fotosystemy – złożone kompleksy białkowo‑barwnikowe, które wychwytują światło i inicjują reakcje fazy jasnej fotosyntezy.
Każdy fotosystem składa się z centrum reakcji (zawierającego specjalne cząsteczki chlorofilu a) oraz układu antenowego, czyli zespołu barwników pomocniczych, które zbierają światło i przekazują jego energię do centrum reakcji.
W roślinach występują dwa główne fotosystemy: fotosystem II (PSII) i fotosystem I (PSI).
Ćwiczenia utrwalające
Przeanalizuj poniższy wykres przedstawiający widma absorpcji światła przez różne barwniki fotosyntetyczne.
Wróć do polecenia na stronie „Na dobry początek” i dopisz brakujące definicje. Pamiętaj, żeby nie kopiować słownika, ale wyjaśnić każde słowo kluczowe w miarę możliwości swoimi słowami.