Samożywność roślin
Fotosynteza - reakcja anaboliczna
Wyjaśnisz, na czym polega proces fotosyntezy.
Przypomnisz sobie główne etapy fotosyntezy.
Wyjaśnisz czym są rośliny typu C3.
Fotosynteza jest podstawowym procesem warunkującym życie na Ziemi. Jest procesem anabolicznym, a więc takim, w którym przy wykorzystaniu energii z substancji prostych tworzone są substancje bardziej złożone.
Ogólne równanie fotosyntezy, której głównym produktem jest cukier prosty, ma postać:
Fotosynteza jest procesem anabolicznym, w którym energia światła zostaje przekształcona w energię chemiczną wykorzystywaną do redukcji CO₂ i syntezy związków organicznych.
Fotosynteza jest procesem dwuetapowym. Pierwszy etap to faza jasna, która jest zależna od światła i zachodzi u roślin w granach chloroplastów. Drugi etap to faza ciemna (niezależna od światła), która zachodzi w stromie. Obie fazy są ze sobą sprzęgnięte, a produkty fazy jasnej są wykorzystywane jako substraty w fazie ciemnej.
Faza jasna fotosyntezy
Głównym celem fazy jasnej fotosyntezy jest wytworzenie tzw. siły asymilacyjnej, czyli ATP oraz NADPH + HIndeks górny ++, które to związki służą do wytwarzania cukrów w fazie ciemnej.
Faza jasna rozpoczyna się od pochłonięcia światła przez anteny energetyczne fotosystemówfotosystemów, a następnie przekazania tej energii do centrum reakcji fotosystemu, w którym wzbudzane są cząsteczki chlorofilu a. W rezultacie wzbudzenia dochodzi do przeniesienia elektronu z cząsteczki głównego barwnika fotosyntetycznego, co zapoczątkowuje tzw. fotosyntetyczny transport elektronów i towarzyszące mu procesy fosforylacji.
Wyróżnia się fosforylacjęfosforylację niecykliczną, w której uczestniczą oba fotosystemy (PSI i PSII), lub fosforylacja cykliczna, przebiegająca wyłącznie z udziałem fotosystemu I (PSI).
Fosforylacja niecykliczna
Produktami fosforylacji niecyklicznej są ATP, NADPH + HIndeks górny ++oraz OIndeks dolny 22. Wzbudzone elektrony są wybijane z cząsteczki chlorofilu P680 w fotosystemie II i przenoszone przez przenośniki wbudowane w błonę tylakoidów na cząsteczkę chlorofilu P700 w fotosystemie I. Towarzyszy temu powstanie w poprzek błony gradientu protonowego, wykorzystywanego do syntezy ATP. NADPH + HIndeks górny ++ powstaje kosztem elektronów wyemitowanych pod wpływem światła z centrum reakcji fotosystemu PSI, które przy współudziale protonów redukują obecny w środowisku NADPIndeks górny ++. Elektrododatnia luka w P680 zostaje wypełniona elektronami pochodzącymi z fotolizy wody (rozkładu wody pod wpływem światła). Powstający w tej reakcji tlen jest produktem ubocznym, który przedostaje się do atmosfery, gdzie stanowi podstawowy substrat metabolizmu tlenowego.
Fosforylacja cykliczna
W fosforylacji cyklicznej uczestniczy tylko fotosystem PSI. Jej produktem jest ATP. Wybijane z chlorofilu P700 elektrony przenoszone są przez przenośniki, po czym z powrotem trafiają do tej samej cząsteczki, z której zostały wyemitowane. Przepływowi elektronów w fosforylacji cyklicznej towarzyszy powstanie w poprzek błony gradientu protonów i synteza ATP, nie powstają jednak tlen (brak fotolizy wody) oraz NADPH + HIndeks górny ++.
Fosforylacja cykliczna zachodzi, m.in przy niedoborze NADPIndeks górny ++, np. przy silnym oświetleniu i niskim stężeniu COIndeks dolny 22, gdy faza jasna dostarcza więcej NADPH + HIndeks górny ++, niż może zostać wykorzystane w fazie ciemnej.
Faza ciemna fotosyntezy
W fazie ciemnej fotosyntezy następuje synteza cukrów. Jej szczegółowy przebieg różni się u poszczególnych roślin, co jest podstawą wyróżnienia trzech głównych typów fotosyntezy: CIndeks dolny 33, CIndeks dolny 44 oraz CAM.
Fotosynteza CIndeks dolny 33 jest najczęściej spotykanym rodzajem asymilacji COIndeks dolny 22. Jej nazwa pochodzi od pierwszego trwałego produktu asymilacji CO₂, którym jest trójwęglowy 3‑fosfoglicerynian (PGA). Gatunki przeprowadzające ten typ fotosyntezy nazywane są roślinami typu CIndeks dolny 33. Zalicza się do nich niemal wszystkie gatunki występujące w strefie umiarkowanej.
W fazie ciemnej fotosyntezy typu CIndeks dolny 33 zachodzi cykl Calvina, składający się z trzech następujących po sobie etapów: karboksylacji, redukcji oraz regeneracji.
W czasie karboksylacji enzym RuBisCOkatalizuje przyłączenie COIndeks dolny 2 Indeks dolny koniec2 do stale obecnego w stromie chloroplastów akceptora, którym jest pięciowęglowy cukier rybulozo‑1,5‑bisfosforan (RuBP). W rezultacie powstaje nietrwały sześciowęglowy związek pośredni, który szybko rozpada się na dwie cząsteczki trójwęglowego 3‑fosfoglicerynianu (PGA).
Przy użyciu siły asymilacyjnej (ATP i NADPH + HIndeks górny ++) wytworzonej w fazie jasnej PGA ulega redukcji, tworząc najprostszy cukier – aldehyd 3‑fosfoglicerynowy (PGAL). Związek ten zużywany jest do regeneracji wykorzystanego do jego syntezy RuBP, a także do syntezy bardziej złożonych cukrów i innych związków organicznych, np. aminokwasów i lipidów.
Wytworzenie jednej cząsteczki glukozy (zbudowanej z sześciu atomów węgla) wymaga asymilacji sześciu cząsteczek COIndeks dolny 22 i zużycia 18 cząsteczek ATP, z których sześć wykorzystywana jest do regeneracji RuBP.
Sumarycznie reakcje fotosyntezy typu CIndeks dolny 33 prowadzące do powstania cząsteczki glukozy można przedstawić następująco:
Faza jasna: 12 HIndeks dolny 22O + 18 ADP + 18 Pi + 18 NADPIndeks górny ++ → 6 OIndeks dolny 22 + 18 ATP + 12 NADPH + HIndeks górny ++
Faza ciemna: 6 COIndeks dolny 22 + 18 ATP + 12 NADPH + HIndeks górny ++ → CIndeks dolny 66HIndeks dolny 1212OIndeks dolny 66 + 6 HIndeks dolny 22O + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1JRkBHrSSyGP
Film nawiązujący do redukcji węgla w cyklu Calvina.
Fotoodychanie
Fotooddychanie jest procesem konkurencyjnym wobec fotosyntezy. Zachodzi wtedy, gdy enzym RuBisCO zamiast przyłączać do rybulozo‑1,5‑bisfosforanu (RuBP) dwutlenek węgla, wiąże do niego tlen. Uruchamia to szereg reakcji prowadzących do uwalniania COIndeks dolny 22 i zużywania części produktów fotosyntezy. W efekcie zmniejsza się wydajność asymilacji dwutlenku węgla. Fotooddychanie występuje u wszystkich roślin CIndeks dolny 33.
Pierwotne i wtórne produkty fotosyntezy
Pierwotnymi produktami fotosyntezy są fosfotriozy, m.in. aldehyd 3‑fosfoglicerynowy (PGAL). Z sześciu cząsteczek PGAL powstałego w czasie jednego obrotu cyklu Calvina tylko jedna stanowi zysk fotosyntezy i zostaje wykorzystana do syntezy wtórnych produktów fotosyntezy.
Na podstawie samouczku „Fotosynteza jako reakcja anaboliczna” wykonaj polecenie.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1CPr2CeQ5zaK
Film pod tytułem: ,,Fotosynteza jako reakcja anaboliczna."
Podsumowanie
Fotosynteza jest dwuetapowym procesem anabolicznym, w którym przy wykorzystaniu energii światła, z prostych substancji nieorganicznych (dwutlenku węgla i wody) powstają złożone substancje organiczne.
Fotosynteza składa się z dwóch wzajemnie powiązanych ze sobą faz: jasnej i ciemnej.
W fosforylacji cyklicznej produktem jest tylko ATP.
W fosforylacji niecyklicznej produktem jest tzw. siła asymilacyjna (ATP oraz NADPH + HIndeks górny ++) oraz tlen.
W fazie ciemnej fotosyntezy zachodzi cykl Calvina, w którym CO₂ jest asymilowany i przekształcany w związki organiczne, z których powstają cukry.
Fotooddychanie jest procesem konkurencyjnym wobec fotosyntezy, w czasie którego dochodzi do uwalniania COIndeks dolny 22 i zużywania części produktów fotosyntezy. Występuje u wszystkich roślin CIndeks dolny 33.
Pierwotnymi produktami fotosyntezy CIndeks dolny 33 są fosfotriozy, które służą do syntezy produktów wtórnych, takich jak glukoza, kwasy tłuszczowe i aminokwasy.
Ćwiczenia utrwalające
Dokonaj analizy zamieszczonego poniżej schematu cyklu Calvina i zaznacz poprawne odpowiedzi.
Indeks dolny Współczesna inżynieria genetyczna poszukuje sposobów na zwiększenie wydajności fotosyntezy. Podczas pewnego eksperymentu zauważono, że rośliny tytoniu wykazujące nadekspresję genu kodującego fosfatazę sedoheptulozo‑1,7‑bisfosforanu charakteryzują się znacznie wydajniejszą asymilacją COIndeks dolny 22 niż osobniki niezmodyfikowane. Inne badania również wskazują, że ilość fosfatazy sedoheptulozo‑1,7‑bisfosforanu jest istotnym elementem kontroli ilości asymilowanego COIndeks dolny 22 podczas fotosyntezy wielu gatunków roślin. Rola tego enzymu polega na odłączeniu reszty fosforanowej od sedoheptulozo‑1,7‑bisfosforanu (związku siedmiowęglowego). Sedoheptulozo‑7-fosforan jest następnie przekształcany przez kolejne enzymy do rybulozo‑1,5‑bisfosforanu. Indeks dolny koniecWspółczesna inżynieria genetyczna poszukuje sposobów na zwiększenie wydajności fotosyntezy. Podczas pewnego eksperymentu zauważono, że rośliny tytoniu wykazujące nadekspresję genu kodującego fosfatazę sedoheptulozo‑1,7‑bisfosforanu charakteryzują się znacznie wydajniejszą asymilacją COIndeks dolny 22 niż osobniki niezmodyfikowane. Inne badania również wskazują, że ilość fosfatazy sedoheptulozo‑1,7‑bisfosforanu jest istotnym elementem kontroli ilości asymilowanego COIndeks dolny 22 podczas fotosyntezy wielu gatunków roślin. Rola tego enzymu polega na odłączeniu reszty fosforanowej od sedoheptulozo‑1,7‑bisfosforanu (związku siedmiowęglowego). Sedoheptulozo‑7-fosforan jest następnie przekształcany przez kolejne enzymy do rybulozo‑1,5‑bisfosforanu.
Indeks górny Na podstawie: B. Nowicka, J. Kruk, Perspektywy wykorzystania inżynierii genetycznej do zwiększenia wydajności fotosyntezy, Postępy Biochemii, 2018. Materiał wykorzystany na podstawie art. 29 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych (prawo cytatu). Indeks górny koniecNa podstawie: B. Nowicka, J. Kruk, Perspektywy wykorzystania inżynierii genetycznej do zwiększenia wydajności fotosyntezy, Postępy Biochemii, 2018. Materiał wykorzystany na podstawie art. 29 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych (prawo cytatu).
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.