Fotosyntéza – lekce. Biologie, 9. třída.

Fotosyntéza je proces, kterým existuje většina živých organismů na naší planetě.

Fotosyntéza je proces tvorby organických látek z oxidu uhličitého (CO2) a vody (H2O), ke kterému dochází pomocí sluneční energie.

Fotosyntéza probíhá v chloroplastech u rostlin nebo na mezosomech u prokaryot. Cytoplazmatická membrána těchto organismů obsahuje molekuly zeleného pigmentu – chlorofyl .

Rýže. (1). chloroplast

Molekuly chlorofylu jsou schopny zachycovat kvanta světla a excitovat se. Elektrony jsou z nich odtrženy a přijímány molekulami nosiče NADP+ (nikotinamidadenin dinukleotidfosfát). Energie elektronů je částečně vynaložena na tvorbu ATP.

Proces fotosyntézy zahrnuje dvě po sobě jdoucí fáze: světlo и tmavé
Světelná fáze

Světelná fáze je proces přeměny světelné energie absorbované chlorofylem na elektrickou energii elektronového transportního řetězce. Probíhá na membránách tylakoidů za účasti enzymu ATP syntetázy a membránových proteinových nosičů.

U rostlin probíhají během světelné fáze fotosyntézy dva procesy: fotolýza vody a syntézu ATP (necyklická fosforylace).

Na fotosyntetických membránách chloroplastů grana probíhají následující procesy:

• přechod elektronů chlorofylu pod vlivem světelných kvant do excitovaného stavu;
• redukce oxidované formy nosičových molekul NADP+ na NADP H₂ ;
• rozklad vody (fotolýza):

2 H 2 O -> 4 H + + 4 e – + O 2.
Výsledky světelných reakcí jsou:

• fotolýza vody a uvolňování molekulárního kyslíku;
• Tvorba ATP;
• tvorba redukovaného NADP.

Ve světelné fázi fotosyntézy se energie akumuluje v NADP H₂ a ATP, které se používají k syntéze látek v temné fázi.

Proces tvorby ATP z ADP za použití světelné energie je vysoce účinný: za jednotku času chloroplasty syntetizují (30)krát více ATP, než kolik je potřeba v kyslíkové fázi energetického metabolismu v mitochondriích.

Energeticky bohaté látky vytvořené ve světelné fázi se využívají v temné fázi fotosyntézy.
Fáze Temnovaja
Reakce temné fáze fotosyntézy probíhají bez ohledu na světlo.

Temná fáze – proces přeměny CO2 na glukózu s využitím energie uložené v molekulách ATP a NADPH_2.

Reakce v temné fázi probíhají ve stromatu chloroplastů, kde se nacházejí molekuly NADP H vytvořené ve světlé fázi.₂ a ATP.

Rostlina přijímá svůj zdroj uhlíku (CO2) ze vzduchu prostřednictvím průduchů.

Proces tvorby glukózy z oxidu uhličitého, který probíhá v temné fázi fotosyntézy, se nazývá Calvinův cyklus.

V důsledku reakcí v temné fázi Glukóza se tvoří z oxidu uhličitého, který se následně mění na škrob.

Kromě glukózy se v chloroplastech syntetizují i další organické látky: aminokyseliny, nukleotidy atd.

Obr. (2). Schéma fotosyntézy

Celkové rovnice a dílčí reakce fotosyntézy jsou uvedeny v tabulce.

Význam fotosyntézy
1. Fotosyntézou vznikají organické látky, které slouží jako potrava pro živé organismy.
2. Během fotosyntézy se uvolňuje volný kyslík, který živé organismy potřebují k dýchání.
3. Fotosyntéza zajišťuje konstantní hladinu CO2 a O2 v atmosféře.

4. V horních vrstvách zemského vzdušného obalu vzniká z kyslíku ozon O3, který tvoří ochrannou ozonovou clonu chránící organismy před život ohrožujícími účinky ultrafialového záření.

Co se děje v procesu fotosyntézy, jaké jsou pigmenty a proč listy na podzim mění barvu, které organismy začaly jako první s fotosyntézou a co se stane, když rostliny zmizí z povrchu Země? Pojďme na to společně s Ivanem Polikarpovem, učitelem biologie na Foxford Home School.

Autor článku:
Sdílet:

jak studovat
#jak se učit
více než ve škole
#víc než ve škole
V tomto článku,
Sdílejte článek
Tento článek byl napsán ve spolupráci s odborníky

Učitel biologie na Foxford Home School, PhD v oboru biologie, absolvoval specializované a postgraduální programy na NSU

Historie studia fotosyntézy

V 18. století britský chemik Joseph Priestley a nizozemský biolog Jan Ingenhousz objevili, že rostliny produkují kyslík a že k tomu potřebují sluneční světlo. V 19. století si vědci uvědomili, že rostliny k fotosyntéze využívají oxid uhličitý, a německý přírodovědec Julius Robert von Mayer na základě zákona zachování energie postuloval, že rostliny přeměňují energii slunečního světla na energii chemických vazeb. Do konce 19. století německý chemik Wilhelm Pfeffer pro tento proces vymyslel název: fotosyntéza. Do konce 19. století se tedy již vědělo, že při fotosyntéze se využívá voda a oxid uhličitý a že během fotosyntézy pod vlivem slunečního záření vznikají organické látky, jako je glukóza a kyslík.

Přihlaste se k odběru telegramového kanálu Foxford Home School – zde každý den zveřejňujeme užitečné příspěvky o výuce životních hacků, time managementu, rozvoji a podpoře pro školáky a také sdílíme bezplatné materiály a cheaty.

Zároveň vědci identifikovali hlavní účastníky fotosyntézy: pigmenty — pomocí chromatografie. Jedná se o složitý proces, který umožňuje separaci směsi molekul v buňce. První chromatogramy získal ruský biochemik Michail Cvět v roce 1900 a v současnosti je to jedna z nejpoužívanějších analytických metod.

Ve 20. století vědci studovali pigmenty a mechanismy fotosyntézy a v 21. století genetičtí inženýři ze startupu Living Carbon pracují na zvýšení účinnosti fotosyntézy topolů pomocí genetické modifikace.

Co je fotosyntéza

Fotosyntéza je proces, při kterém buňky obsahující chlorofyl pod vlivem světelné energie tvoří organické látky z anorganických látek.

Během fotosyntézy listy rostlin absorbují oxid uhličitý a vodu, syntetizují organickou hmotu a uvolňují kyslík jako vedlejší produkt fotosyntézy.

Kde probíhá fotosyntéza?

Fotosyntéza probíhá v tkáních obsahujících chloroplasty, — hlavně v listu, kde probíhá většina fotosyntézních procesů. Tato tkáň se nazývá chlorenchym nebo mezofyl.

Chloroplasty jsou organely rostlinných buněk, ve kterých probíhá fotosyntéza.

Abychom pochopili, co se děje v buňkách během fotosyntézy, musíme se blíže podívat na strukturu chloroplastů.

Chloroplast zelené rostliny — je dvoumembránová organela. Vnější membrána je propustná pro většinu organických i anorganických sloučenin. Vnitřní membrána má selektivní propustnost a díky transportním proteinům je schopna kontrolovat, které látky vstupují do vnitřního prostoru chloroplastu.

Chloroplasty se vyznačují složitým systémem vnitřních membrán – thylakoidů, který umožňuje prostorovou organizaci fotosyntetického aparátu, uspořádání a separaci fotosyntetických reakcí, které jsou navzájem nekompatibilní, a jejich produktů. Membrány tvoří tylakoidy, které jsou zase sestaveny do „hromady“ – grana. Prostor uvnitř tylakoidů se nazývá intrathylakoidní prostor nebo lumen.

Vnitřní prostor chloroplastu mezi granou je vyplněn stromatem – hydrofilní, mírně strukturovanou matricí. Stroma obsahuje enzymy nezbytné pro reakce syntézy cukrů, dále ribozomy, kruhovou molekulu DNA a škrobová zrna.

Chloroplastové pigmenty

Co se děje během fotosyntézy? Na molekulární úrovni je fotosyntéza zajištěna speciálními látkami – pigmenty, díky čemuž se energie slunečního světla transformuje na energii chemických vazeb a stává se dostupnou pro biologické systémy. U fotosyntetických organismů můžeme rozlišit tři hlavní skupiny pigmentů:

• chlorofyly;
• karotenoidy;
• fykobiliny.

V chloroplastech jsou pigmenty spojeny s proteiny pomocí iontových, vodíkových a dalších typů vazeb – tvoří komplexy, tzv. fotosystém I a fotosystém II, které organizují soubor reakcí přeměňujících světelnou energii na energii chemických vazeb. Nezapomeňte, že rostliny mají mnoho dalších pigmentů, které se nenacházejí v chloroplastech a přímo se nepodílejí na fotosyntéze, jako jsou antokyany, ale přesto jsou to antioxidanty a pomáhají zabránit destrukci chlorofylu na jasném slunci.

Chlorofyl

Chlorofyl je hlavní pigment, který umožňuje fotosyntézu.

Hlavní úlohou chlorofylu v procesu fotosyntézy je absorpce, transformace a transport světelné energie. Chlorofyly nejlépe absorbují světlo v modré (430–460 nm) a červené (650–700 nm) oblasti elektromagnetického spektra. Chlorofyly efektivně odrážejí zelenou oblast spektra, což rostlině dodává zelenou barvu.

Zajímavé je, že struktura molekuly chlorofylu je podobná struktuře hemoglobinu, ale středem molekuly chlorofylu je iont hořčíku, nikoli ion železa.

Hlavní chlorofyly vyšších rostlin jsou chlorofyl a и chlorofyl b, jsou součástí reakčních center fotosystémů a světlosklízecích komplexů chloroplastových tylakoidních membrán. Světlosklízecí komplexy zachycují kvanta světla a přenášejí energii do fotosystémů I a II.

Fotosystémy jsou pigmentově-proteinové komplexy, které hrají klíčovou roli ve světelné fázi fotosyntézy.

Karotenoidy

Karotenoidy jsou žluté, oranžové nebo červené pigmenty, které jsou také součástí fotosystému. V zelených listech nejsou karotenoidy obvykle patrné kvůli přítomnosti chlorofylu v listech.

Když je na podzim zničen chlorofyl, jsou to karotenoidy, které dodávají listům jejich charakteristickou žlutooranžovou barvu.

Funkce karotenoidů:

• Anténa — jsou součástí komplexů sklízejících světlo, zachycují světelnou energii a přenášejí ji na chlorofyly. Karotenoidy hrají roli dalších pigmentů sklízejících světlo v té části spektra (450–570 nm), kde jsou chlorofyly neúčinné. To je zvláště důležité pro vodní ekosystémy, ve kterých optimální vlnová délka pro chlorofyly s hloubkou rychle mizí.
• Ochranný (antioxidační) — neutralizace agresivních kyslíkatých sloučenin (aktivních forem kyslíku) a přebytečného chlorofylu v excitovaném stavu za příliš jasného osvětlení.

Karotenoidy jsou chemicky 40-uhlíkový řetězec se dvěma uhlíkovými kruhy na okrajích řetězce. Struktura xantofylů na rozdíl od karotenů obsahuje alkoholové, etherové nebo aldehydové skupiny.

fykobiliny

Fykobiliny jsou pigmenty červených řas, glaukofytů, kryptofytů a sinic (modrozelených řas).

Fykobiliny se obvykle neprezentují jako samostatné molekuly, ale tvoří komplexy s proteiny – fykobiliproteiny (chromoproteiny):

• červená – fykoerythrobilin;
• pomeranč – fycourobilin;
• modrý – fykoviolobilin, také známý jako fykobiliolin, nalezený ve fykoerythrocyaninu;
• modrý – fykocyanobilin, také známý jako fykobileverdin.

Co se děje během fotosyntézy: Fáze fotosyntézy

Proces fotosyntézy lze rozdělit na dvě fáze:

• světelná fáze;
• temná fáze.

Během světelné fáze fotosyntézy vznikají:

1. Energie ve formě ATP.
2. Univerzálním donorem atomu vodíku je redukční činidlo NADPH (NADPH2).

Tyto látky jsou nezbytné pro průběh temné fáze. Vzniká také vedlejší produkt – kyslíkSvětelná fáze může probíhat pouze na membránách tylakoidů a na světle.

Prostřednictvím série biochemických reakcí – Calvinův cyklus — v temné fázi fotosyntézy vznikají organická hmota (cukry)Tmavá fáze probíhá ve stromatu chloroplastů jak na světle, tak ve tmě. Enzymatické procesy v temné fázi probíhají pomaleji než ve světle, proto za velmi jasného osvětlení bude rychlost fotosyntézy zcela určena rychlostí temné fáze.

Schéma fotosyntézy vypadá takto:

Světelná fáze fotosyntézy

Abychom lépe pochopili, co se děje během fotosyntézy, podívejme se na její fáze. Světelná fáze fotosyntézy zahrnuje fotochemické a fotofyzikální procesy. Pořadí fotosyntézních procesů ve světelné fázi lze rozdělit do tří fází:

1. Absorpční fáze — v procesu fotosyntézy dochází k zachycení světelné energie za pomoci chlorofylu, buněčného pigmentu, který zajišťuje fotosyntézu, a také karotenoidů (nebo fykobilinu u některých řas a sinic) jako součásti světlosklízecích komplexů. Ta se poté přemění na energii elektronické excitace pigmentů a přenese do reakčního centra fotosystémů I a II.
2. Fáze reakčního centra — energie elektronové excitace pigmentů světlosběrných komplexů se využívá k aktivaci reakčních center fotosystémů. V reakčním centru se elektron z excitovaného chlorofylu přenáší na další složky elektronového transportního řetězce, pigment po darování elektronu přechází do oxidovaného stavu a stává se schopným odebírat elektrony z jiných látek. Právě v tomto procesu dochází k přeměně fyzické formy energie na chemickou.
3. Fáze elektronového transportního řetězce – elektrony se přenášejí po řetězci nosičů, vzniká ATP, NADPH, O₂. Je nutné, aby každý nosič elektronového transportního řetězce byl střídavě redukován a oxidován a tím byl zajištěn přenos elektronové energie. Jakákoli fáze přenosu elektronů je doprovázena uvolněním nebo absorpcí energie. Nějaká energie se ztrácí. V některých částech elektronového transportního řetězce je přenos elektronů spojen s přenosem protonů.

Kupodivu to všechno začíná fotosystém IISvětelná kvanta dopadají na světlosklízecí komplexy fotosystému II – dochází k excitaci molekuly chlorofylu fotosystému II, molekula chlorofylu odevzdá elektron a přejde do oxidovaném stavu. Chlorofyl kompenzuje nedostatek elektronů fotolýzou vody, při které vznikají protony H + a také důležitý vedlejší produkt fotosyntézy – kyslík. Protony vstupující do intrathylakoidního prostoru jsou následně využity pro syntézu ATP. Prostřednictvím řetězce nosičů se elektron z chlorofylu fotosystému II dostane do chlorofylu reakčního centra fotosystému I a obnoví jej. Nyní může tento chlorofyl opět absorbovat energii světelného kvanta a darovat elektron elektronovému transportnímu řetězci.

Fotosystém I přijímá elektrony z fotosystému II a absorbuje světelná kvanta komplexy sbírajícími světlo fotosystému I, přechází do excitovaného stavu, energie se přenáší do reakčního centra fotosystému I. silné redukční činidlo, který obnovuje NADP+ – vzniká NADPH.

NADPH se používá pro následné reakce redukce uhlíku v chloroplastech v Calvinově cyklu. Kromě toho může fotosystém I provádět cyklický transport elektronů spojený se syntézou ATP, což zajišťuje další syntézu ATP v chloroplastech.

Temná fáze fotosyntézy

Co vzniká při fotosyntéze v temné fázi? Ve stromatu chloroplastů se za pomoci energie ATP a redukčního činidla NADPH získaného ve světelné fázi tvoří jednoduché cukry, ze kterých se v průběhu dalších procesů syntetizuje škrob. Enzymatické procesy nevyžadují přítomnost světla.

Nejdůležitějším procesem, který probíhá během temné fáze fotosyntézy, je ffixace oxidu uhličitého ve vzduchu.

Syntéza a transformace cukrů v chloroplastech jsou cyklické a nazývají se Calvinův cyklusLze jej rozdělit do tří fází:

1. Karboxylační fáze (zavedení CO₂ do cyklu).
2. Fáze zotavení (používá se ATP a NADPH získané ve fázi světla).
3. Regenerační fáze (přeměna cukrů).

Ve stromatu chloroplastů se nachází derivát pětiuhlíkového cukru ribulózy (ribulóza-1,5-bisfosfát). Pomocí speciálního enzymu (RubisCO) se k derivátu ribózy přidává CO₂ (karboxylační reakce) – vzniká nestabilní šestiuhlíková sloučenina, která se rychle rozpadne na dvě tříuhlíkové molekuly. Dále se spotřebou ATP a NADPH získaných během lehkých procesů modifikuje tříuhlíková sloučenina – vzniká redukovaná sloučenina s atomem fosforu a aldehydovou skupinou v kompozici. Nyní stojí buňka před problémem: je nutné získat šestiuhlíkovou sloučeninu – glukózu pro syntézu škrobu a také pětiuhlíkovou sloučeninu – derivát ribulózy, aby tyto procesy mohly začít znovu. K vyřešení tohoto problému se během regenerační fáze tvoří čtyř-, pěti-, šesti- a sedmiuhlíkové cukry z dříve získaných tříuhlíkových sloučenin působením enzymů. Šestiuhlíková molekula produkuje glukózu, ze které se syntetizuje škrob. Z pětiuhlíkové molekuly se vytvoří derivát ribulózy a cyklus je dokončen. Zbylé cukry buňka využívá i v jiných biochemických procesech.

Za zmínku stojí samostatně extrémně důležitý enzym první fáze Calvinova cyklu – ribulózabisfosfátkarboxyláza (RuBisCO). Jedná se o komplexní enzym sestávající ze 16 podjednotek s molekulovou hmotností osmkrát větší než molekulová hmotnost hemoglobinu. RubisCO je jedním z nejdůležitějších enzymů v přírodě, protože hraje ústřední roli v hlavním mechanismu vstupu anorganického uhlíku (z CO₂) do biologického cyklu.

Obsah RubisCO v listech rostlin je velmi vysoký; je považován za nejrozšířenější enzym na Zemi.

Rovnice fotosyntézy

Podrobný popis fotosyntézy nám umožňuje lépe pochopit mechanismy přeměny světelné energie na energii chemickou. Obecná reakce fotosyntézy je následující:

Fotosyntéza je charakterizována výskytem specifických reakcí: fotolýza vody, tvorba redukčního činidla, uvolňování kyslíku atd. Ty jsme zvážili níže:

Význam fotosyntézy

Před miliardami let byl základem zemské atmosféry oxid uhličitý, sirovodík, čpavek a metan, pro které existují geologické důkazy. Vznik fotosyntézy přispěl k akumulaci kyslíku v atmosféře a také k tvorbě ozonové vrstvy.

Podle hypotézy Purple Earth byly první, kdo začal s fotosyntézou, archaea, která ve svých membránách obsahovala jednodušeji strukturovaný retinal místo chlorofylu. Složitá molekula chlorofylu se objevila později a vykazovala velkou účinnost – proto dnes Zemi nazýváme zelenou planetou. Odborníci odhadují, že se tak stalo před 3,5 až 2,4 miliardami let, během archejského období.

Ke kyslíkové katastrofě došlo před 2,45 miliardami let, což mělo za následek změnu povahy zemské atmosféry z redukční na oxidující a společenstva z anaerobní na aerobní. Potomci prvních fotosyntetických archaea lze dodnes nalézt v růžových jezerech po celém světě.

Bez kyslíku si nelze představit moderní rozmanitost živých organismů – kvůli ničivým účinkům krutého ultrafialového záření by se prostě nemohly dostat na souš.

Kromě toho je kyslík nezbytný pro dýchání, protože je účinným oxidačním činidlem organické hmoty u rostlin i živočichů.

Během procesu fotosyntézy se světelná energie přeměňuje na energii chemických vazeb, vznikají organické látky, které slouží jako potrava pro téměř všechny heterotrofy. Téměř všechny živé organismy, s výjimkou chemosyntetických organismů, nějakým způsobem využívají produkty fotosyntézy.

Pokud rostliny okamžitě zmizí z povrchu země, pak zvířata nebudou mít co jíst a kde žít, koloběh vody se naruší a půda se začne zhoršovat. Nejprve zemřou býložravci a po nich všichni predátoři zemřou hlady. Hromadění skleníkových plynů v atmosféře v důsledku rozkladu organismů a zastavení produkce kyslíku s největší pravděpodobností povede k tomu, že na Zemi zůstanou pouze anaerobní bakterie a evoluce začne „znovu“. Pravděpodobnost opakování nám již známého scénáře je přitom extrémně malá: je docela možné, že po vymizení rostlin budou na miliardy let dominovat anaerobní bakterie, které rozloží zbývající organickou hmotu, a teprve tehdy skončí, možná vzniknou nové fotosyntetické organismy.

Funkce fotosyntézy

Tímto způsobem můžeme formulovat základní funkce fotosyntézy, které dalece přesahují rámec výživy rostlin.

1. Fotosyntéza zásobuje biosféru kyslíkemBěhem tohoto procesu rostliny absorbují oxid uhličitý a vodu a jako vedlejší produkt uvolňují molekulární kyslík. Právě díky fotosyntéze má Země atmosféru vhodnou pro dýchání zvířat i lidí.
2. Klíčová role fotosyntézy při tvorbě biomasyVšechny zelené rostliny syntetizují organickou hmotu, zejména glukózu, která se používá pro růst a vývoj a je také přenášena potravními řetězci. Fotosyntetické organismy jsou tedy základem většiny ekosystémů.
3. Fotosyntéza reguluje hladinu oxidu uhličitého v atmosféřeAbsorpcí CO₂ rostliny zmírňují dopady skleníkového efektu a globálního oteplování. Díky tomu jsou důležitými spojenci v boji proti změně klimatu.
4. Je zdrojem energie pro život na planetě.Téměř veškerá energie využívaná živými organismy pochází přímo či nepřímo ze slunečního záření, které se fotosyntézou přeměňuje na chemickou formu.