Proses fotosintesis, organisma, jenis, faktor dan fungsi



The fotosintesis Ia adalah proses biologi di mana cahaya matahari ditukar menjadi tenaga kimia dan disimpan dalam molekul organik. Ia adalah hubungan antara tenaga solar dan kehidupan di Bumi.

Secara metabolik, tumbuhan dikelaskan sebagai autotrof. Ini bermakna bahawa mereka tidak perlu mengambil makanan untuk terus hidup, mampu menghasilkannya sendiri melalui fotosintesis. Semua tumbuh-tumbuhan, alga dan juga beberapa bakteria adalah organisme fotosintesis, yang dicirikan oleh warna hijau tisu atau struktur.

Proses ini berlaku dalam organel yang dikenali sebagai kloroplas: kompartemen subkeluler membran yang mengandungi siri protein dan enzim yang membolehkan perkembangan reaksi kompleks. Di samping itu, ia adalah tempat fizikal di mana klorofil disimpan, pigmen yang diperlukan untuk fotosintesis berlaku.

Laluan yang karbon mengambil semasa fotosintesis, bermula dengan karbon dioksida dan berakhir dalam molekul gula, diketahui dengan terperinci yang mengagumkan. Laluan ini telah dibahagikan kepada fasa bercahaya dan fasa gelap, secara spasial dipisahkan dalam kloroplas.

Fasa bercahaya terjadi di membran thylakoid kloroplas dan melibatkan pecahnya molekul air dalam oksigen, proton dan elektron. Yang terakhir dipindahkan melalui membran untuk membuat reservoir tenaga dalam bentuk ATP dan NADPH, yang digunakan dalam fasa seterusnya.

Fasa fotosintesis gelap terjadi di stroma kloroplas. Ia terdiri daripada penukaran karbon dioksida (CO2) dalam karbohidrat, melalui enzim kitaran Calvin-Benson.

Fotosintesis adalah laluan penting bagi semua organisma hidup di planet ini, yang berfungsi sebagai sumber tenaga awal dan oksigen. Hypothetically, jika fotosintesis berhenti berfungsi, peristiwa kepupusan besar-besaran semua makhluk hidup "unggul" akan berlaku dalam hanya 25 tahun.

Indeks

  • 1 Perspektif sejarah
  • 2 Persamaan fotosintesis
    • Persamaan umum
    • 2.2 Fasa bercahaya dan gelap
    • 2.3 ΔG ° reaksi
  • 3 Di mana ia berlaku??
  • 4 Proses (fasa)
    • 4.1 Fasa bercahaya
    • 4.2 Protein yang terlibat
    • 4.3 Sistem Foto
    • 4.4 Aliran elektron kitaran
    • 4.5 Pigmen lain
    • 4.6 Tahap gelap
    • 4.7 Kitaran Calvin
  • 5 organisma fotosintetik
  • 6 Jenis fotosintesis
    • 6.1 Fotosintesis oksigen dan anoksigenik
    • 6.2 Jenis metabolisme C4 dan CAM
    • 6.3 Metabolisme C4
    • 6.4 Photosynthesis CAM
  • 7 Faktor yang terlibat dalam fotosintesis
  • 8 Fungsi
  • 9 Evolusi
    • 9.1 Borang kehidupan fotosintesis pertama
    • 9.2 Peranan oksigen dalam evolusi
  • 10 Rujukan

Perspektif sejarah

Sebelum ini dianggap bahawa tumbuhan mendapat makanan mereka terima kasih kepada humus hadir di dalam tanah, dengan cara yang serupa dengan pemakanan haiwan. Pikiran ini berasal dari ahli falsafah kuno seperti Empedocles dan Aristotle. Mereka menganggap bahawa akar berkelakuan seperti tali pusat atau "mulut" yang memberi makan kepada tumbuhan.

Visi ini berubah secara beransur-ansur berkat kerja keras berpuluh-puluh penyelidik antara abad ketujuh belas dan sembilan belas, yang mendedahkan asas-asas fotosintesis.

Pemerhatian proses fotosintesis bermula sekitar 200 tahun yang lalu, ketika Joseph Priestley menyimpulkan bahawa fotosintesis adalah fenomena terbalik pernafasan sel. Penyelidik ini mendapati bahawa semua oksigen yang ada di atmosfer dihasilkan oleh tumbuhan, melalui fotosintesis.

Selepas itu, bukti yang kuat mula muncul untuk keperluan air, karbon dioksida dan cahaya matahari untuk proses ini berlaku dengan berkesan.

Pada permulaan abad ke-19, molekul klorofil telah diasingkan untuk kali pertama dan ia mungkin untuk memahami bagaimana fotosintesis mengarah kepada penyimpanan tenaga kimia.

Pelaksanaan pendekatan perintis, seperti stoikiometri pertukaran gas, berjaya mengenal pasti kanji sebagai produk fotosintesis. Di samping itu, fotosintesis adalah salah satu topik pertama dalam biologi yang dikaji melalui penggunaan isotop stabil.

Persamaan fotosintesis

Persamaan umum

Secara kimia, fotosintesis adalah reaksi redoks di mana sesetengah spesies mengoksidakan dan melepaskan elektron mereka kepada spesies lain yang berkurang.

Proses umum fotosintesis boleh diringkaskan dalam persamaan berikut: H2O + cahaya + CO2 → CH2O + O2. Di mana istilah CH2ATAU (satu keenam dari molekul glukosa) merujuk kepada sebatian organik yang disebut gula yang akan digunakan kilang kemudian, seperti sukrosa atau kanji.

Fasa bercahaya dan gelap

Persamaan ini boleh dibahagikan kepada dua persamaan yang lebih spesifik untuk setiap peringkat fotosintesis: fasa cahaya dan fasa gelap.

Fasa cahaya diwakili sebagai: 2H2O + cahaya → O2 + 4H+ + 4e-. Begitu juga, fasa gelap melibatkan hubungan berikut: CO2 + 4H+ + 4e- → CH2O + H2O.

ΔG° tindak balas

Tenaga percuma (ΔG°) untuk tindak balas ini adalah: +479 kJ · mol-1, +317 kJ · mol-1 dan +162 kJ · mol-1, masing-masing. Seperti yang dicadangkan oleh termodinamik, tanda positif nilai-nilai ini diterjemahkan kepada keperluan tenaga dan dipanggil proses endergonik.

Di manakah organisma fotosintesis mendapatkan tenaga ini supaya tindak balas berlaku? Dari cahaya matahari.

Perlu dinyatakan bahawa, berbeza dengan fotosintesis, pernafasan aerobik adalah proses eksergonik - dalam hal ini nilai ΔG ° disertai dengan tanda negatif - di mana tenaga yang dikeluarkan digunakan oleh organisma. Oleh itu, persamaannya ialah: CH2O + O2 → CO2 + H2O.

Di manakah ia berlaku??

Di kebanyakan tumbuhan, organ utama di mana proses berlaku adalah pada daun. Dalam tisu ini kita dapati struktur globose kecil, yang dikenali sebagai stomata yang mengawal kemasukan dan keluar gas.

Sel-sel yang membentuk tisu hijau boleh mempunyai sehingga 100 kloroplas di dalamnya. Kompartmen ini disusun oleh dua membran luar dan fasa berair yang disebut stroma dimana sistem membran ketiga terletak: thylakoid.

Proses (fasa)

Fasa bercahaya

Fotosintesis bermula dengan menangkap cahaya oleh pigmen yang paling banyak di bumi planet: klorofil. Penyerapan cahaya menghasilkan pengujaan elektron ke keadaan tenaga yang lebih tinggi - dengan itu mengubah tenaga matahari menjadi tenaga kimia yang berpotensi.

Dalam membran tilakoid, pigmen fotosintesis disusun dalam fotocentros yang mengandungi beratus-ratus molekul pewarna yang bertindak sebagai antena yang menyerap cahaya dan memindahkan tenaga kepada molekul klorofil, yang digelar "pusat reaksi".

Pusat tindak balas terdiri daripada protein transmembran yang dikaitkan dengan cytochrome. Ia memindahkan elektron ke molekul lain dalam rantai pengangkutan elektron melalui satu siri protein membran. Fenomena ini digabungkan dengan sintesis ATP dan NADPH.

Protein terlibat

Protein dianjurkan di pelbagai kompleks. Dua daripada mereka adalah fotosistem I dan II, yang bertanggungjawab untuk menyerap cahaya dan memindahkannya ke pusat tindak balas. Kumpulan ketiga terdiri daripada kompleks sitokrom bf.

Tenaga yang dihasilkan oleh kecerunan proton digunakan oleh kompleks ATP sintase yang keempat, yang pasangan aliran proton dengan sintesis ATP. Perhatikan bahawa salah satu perbezaan yang paling berkaitan dengan pernafasan ialah tenaga bukan sahaja menjadi ATP, tetapi juga NADPH.

Photosystems

Photosystem I terdiri daripada molekul klorofil dengan puncak penyerapan 700 nanometer, itulah sebabnya ia dipanggil P700. Begitu juga, puncak penyerapan photosystem II ialah 680, disingkat P680.

Tugas sistem fotografi I adalah pengeluaran NADPH dan fotosistem II adalah sintesis ATP. Tenaga yang digunakan oleh photosystem II berasal dari pecah molekul air, melepaskan proton dan mencipta kecerunan baru melalui membran thylakoid.

Elektron yang diperoleh dari pecah dipindahkan ke sebatian lemak yang larut: plastoquinone, yang membawa elektron dari photosystem II ke kompleks cytochrome bf, menghasilkan penambahan proton tambahan.

Dari fotosistem II, elektron berpindah ke plastocyanin dan fotosistem I, yang menggunakan elektron tenaga tinggi untuk mengurangkan NADP+ kepada NADPH. Elektron akhirnya mencapai ferrodoksin dan menghasilkan NADPH.

Aliran siklik elektron

Terdapat jalur alternatif di mana sintesis ATP tidak melibatkan sintesis NADPH, umumnya untuk membekalkan tenaga kepada proses metabolik yang diperlukan. Oleh itu, keputusan sama ada ATP atau NADPH dihasilkan, bergantung pada keperluan sesetengah sel.

Fenomena ini melibatkan sintesis ATP oleh fotosistem I. Elektron tidak dipindahkan ke NADP+, tetapi kepada kompleks cytochrome bf, mewujudkan kecerunan elektron.

Plastocyanin mengembalikan elektron ke sistem fotografi I, menyelesaikan kitaran pengangkutan dan mengepam proton ke kompleks sitokrom bf.

Pigmen lain

Klorofil bukan satu-satunya pigmen memiliki tumbuh-tumbuhan, terdapat juga apa yang dipanggil "pigmen aksesori", termasuk karotenoid.

Dalam fasa cahaya pengeluaran fotosintesis unsur-unsur yang mungkin berbahaya untuk sel berlaku, sebagai "singlet oksigen." Karotenoid bertanggungjawab untuk mencegah pembentukan sebatian atau mencegah tisu kerosakan.

Ini pigmen yang diperhatikan pada musim luruh apabila daun kehilangan warna hijau dan bertukar menjadi kuning atau oren, kerana tumbuh-tumbuhan adalah klorofil menjatuhkan maruah untuk nitrogen.

Fasa gelap

Objektif proses awal ini adalah dengan menggunakan tenaga solar untuk pengeluaran NADPH (adenina nicotinamide dinucleotide fosfat atau "mengurangkan kuasa") dan ATP (adenosina trifosfat atau "mata wang tenaga sel"). Unsur-unsur ini akan digunakan dalam fasa gelap.

Sebelum menerangkan langkah-langkah biokimia yang terlibat dalam fasa ini, perlu menjelaskan bahawa, walaupun namanya adalah "fasa gelap", ia tidak semestinya berlaku dalam kegelapan. Dari segi sejarah, istilah ini cuba merujuk kepada kebebasan cahaya. Dalam erti kata lain, fasa boleh berlaku di hadapan atau ketiadaan cahaya.

Walau bagaimanapun, kerana fasa bergantung kepada reaksi yang berlaku dalam fasa cahaya - yang memerlukan cahaya - adalah betul untuk merujuk kepada siri langkah ini sebagai reaksi karbon.

Kitaran Calvin

Dalam fasa ini berlaku kitaran Calvin atau tiga jalur karbon, laluan biokimia yang diterangkan pada tahun 1940 oleh penyelidik Amerika Melvin Calvin. Penemuan kitaran itu dianugerahkan Hadiah Nobel pada tahun 1961.

Secara umum, tiga peringkat asas kitaran diterangkan: karboksilasi CO yang diterima2, pengurangan 3-phosphoglycerate dan regenerasi penerima CO2.

Kitaran bermula dengan penubuhan atau "penetapan" karbon dioksida. Kurangkan karbon untuk mendapatkan karbohidrat, dengan cara menambah elektron, dan gunakan NADPH sebagai kuasa yang mengurangkan.

Pada setiap giliran kitaran memerlukan pembentukan sebuah molekul karbon dioksida, yang bertindak balas dengan ribulosa ribulosa, menjana dua sebatian tiga karbon yang dikurangkan dan menjana semula molekul ribulosa. Tiga pusingan kitaran hasil dalam molekul gliseralhyde fosfat.

Oleh itu, untuk menghasilkan gula enam-gula seperti glukosa, enam kitaran diperlukan.

Organisma fotosintesis

Kapasiti organisme fotosintesis muncul dalam dua domain, yang terdiri daripada bakteria dan eukariota. Berdasarkan bukti ini, individu yang memahami domain arkea tidak mempunyai laluan biokimia ini.

Organisma fotosintesis muncul kira-kira 3.2-3.5 bilion tahun lalu, kerana stromatolit berstruktur serupa dengan cyanobacterium moden.

Secara logiknya, organisma fotosintesis tidak boleh diakui sebagai rekod fosil. Walau bagaimanapun, kesimpulan boleh dibuat dengan mengambil kira morfologi atau konteks geologi mereka.

Berhubung dengan bakteria, keupayaan untuk mengambil cahaya matahari dan mengubahnya menjadi gula nampaknya tersebar luas di beberapa Phyla, walaupun sepertinya tidak ada corak evolusi yang jelas.

Sel-sel fotosintesis yang paling primitif ditemui dalam bakteria. Ini mempunyai pigmen bakterichlorophyll, dan bukan klorofil tumbuhan hijau yang diketahui.

Kumpulan bakteria fotosintesis termasuk cyanobacteria, protobacteria, bakteria sulfur hijau, firma, phototrophs filumofilik dan asidbakteria.

Bagi tumbuhan, mereka semua mempunyai keupayaan untuk menjalankan fotosintesis. Malah, ia adalah ciri yang paling membezakan kumpulan ini.

Jenis fotosintesis

Fotosintesis Oxigenic dan anoxigenic

Fotosintesis boleh diklasifikasikan dalam pelbagai cara. Klasifikasi pertama mengambil kira sama ada tubuh menggunakan air untuk pengurangan karbon dioksida. Oleh itu, kita mempunyai organisma fotosintetik oksigen, yang merangkumi tumbuhan, alga dan sianobakteria.

Sebaliknya, apabila badan tidak menggunakan air, ia dipanggil organisme fotosintesis anoksigenik. Kumpulan ini termasuk bakteria hijau dan ungu, contohnya genera Chlorobium dan Chromatium, yang menggunakan hidrogen sulfur atau gas untuk mengurangkan karbon dioksida.

Bakteria ini tidak dapat menggunakan fotosintesis dengan kehadiran oksigen, mereka memerlukan media anaerob. Oleh itu, fotosintesis tidak menyebabkan oksigen generasi - maka nama "anoksigenik".

Jenis metabolisme C4 dan CAM

Fotosintesis juga boleh diklasifikasikan mengikut adaptasi fisiologi tumbuhan.

Pengurangan CO berlaku dalam eukariot fotosintetik2 datang dari atmosfera kepada karbohidrat dalam kitaran Calvin. Proses ini bermula dengan enzim rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase) dan sebatian stabil pertama yang terbentuk adalah asid 3-phosphoglyceric, tiga karbon.

Dalam keadaan tekanan terma, yang dipanggil sinaran tinggi atau kemarau, enzim rubisco tidak dapat membezakan antara O2 dan CO2. Fenomena ini terutamanya mengurangkan kecekapan fotosintesis dan dipanggil photorespiration.

Atas alasan ini ada tumbuh-tumbuhan yang mempunyai metabolisme fotosintesis khas yang membolehkan mereka mengelakkan kesulitan tersebut.

Metabolisme C4

Jenis metabolisme C4 Tujuannya adalah menumpukan karbon dioksida. Sebelum bertindak rubisco, tanaman C4 melakukan karboksilasi pertama oleh PEPC.

Perhatikan bahawa terdapat pemisahan ruang antara dua karboksilasi. Tumbuhan C4 Mereka dibezakan dengan mempunyai anatomi "kranz" atau korona, dibentuk oleh sel-sel mesophilic dan fotosintetik, tidak seperti sel-sel ini dalam fotosintesis normal atau C3.

Dalam sel-sel ini karboksilasi pertama berlaku oleh PEPC, memberikan sebagai oxaloacetate produk, yang dikurangkan kepada malate. Ini meresap ke sel pod, di mana proses decarboxilation berlaku menghasilkan CO2. Karbon dioksida digunakan dalam karboksilasi kedua yang diarahkan oleh rubisco.

CAM Photosynthesis

fotosintesis CAM atau asid metabolisme crassulacean merupakan adaptasi daripada tumbuh-tumbuhan yang hidup dalam iklim yang sangat kering dan biasa tumbuhan seperti nanas, orkid, warna badan, dan lain-lain.

Asimilasi karbon dioksida di kilang CAM berlaku pada waktu malam, kerana kehilangan air dengan pembukaan stomata akan kurang dari pada hari.

CO2 ia digabungkan dengan PEP, tindak balas yang dipangkin oleh PEPC, membentuk asid malik. Produk ini disimpan dalam vakum yang melepaskan kandungan mereka pada waktu pagi, maka ia akan disahboksilasi dan CO2 berjaya menyertai kitaran Calvin.

Faktor yang terlibat dalam fotosintesis

Antara faktor persekitaran yang terlibat dalam kecekapan penemuan fotosintesis: jumlah CO hadir2 dan cahaya, suhu, pengumpulan produk fotosintesis, jumlah oksigen dan ketersediaan air.

Faktor tumbuhan juga mempunyai peranan asas, seperti umur dan status pertumbuhan.

Kepekatan CO2 dalam alam sekitar ia adalah rendah (ia tidak melebihi 0.03% daripada isipadu), maka sebarang variasi yang minima mempunyai akibat yang luar biasa dalam fotosintesis. Di samping itu, tumbuh-tumbuhan hanya mampu menghasilkan 70 atau 80% daripada karbondioksida.

Sekiranya tiada batasan dari pembolehubah lain yang disebutkan, kami mendapati bahawa fotosintesis akan bergantung kepada jumlah CO2 boleh didapati.

Dengan cara yang sama, keamatan cahaya adalah penting. Dalam persekitaran dengan keamatan yang rendah, proses pernafasan akan melampaui fotosintesis. Atas sebab ini, fotosintesis adalah lebih aktif pada waktu ketika keamatan surya tinggi, seperti jam pertama pagi.

Sesetengah tumbuhan mungkin terjejas lebih daripada yang lain. Sebagai contoh, rumput ternakan tidak begitu sensitif terhadap faktor suhu.

Fungsi

Fotosintesis adalah proses penting bagi semua organisma di planet bumi. Cara ini bertanggungjawab untuk menyokong semua bentuk kehidupan, sebagai sumber oksigen dan asas semua rantai trofi yang sedia ada, memandangkan penukaran tenaga solar menjadi tenaga kimia.

Dalam erti kata lain, fotosintesis menghasilkan oksigen yang kita nafas - seperti yang disebutkan di atas, unsur itu merupakan hasil sampingan dari proses itu - dan makanan yang kita makan setiap hari. Hampir semua organisma hidup menggunakan sebatian organik yang berasal dari fotosintesis sebagai sumber tenaga.

Perhatikan bahawa organisma aerobik mampu mengeluarkan tenaga daripada sebatian organik yang dihasilkan oleh fotosintesis hanya dengan kehadiran oksigen - yang juga merupakan hasil proses.

Malah, fotosintesis mampu menukarkan bilangan karbon dioksida (200 bilion tan) yang diperparah menjadi sebatian organik. Mengenai oksigen, dianggarkan pengeluaran adalah dalam lingkungan 140 bilion tan.

Di samping itu, fotosintesis memberi kita sebahagian besar tenaga (kira-kira 87% daripada ini) yang digunakan oleh manusia untuk bertahan, dalam bentuk bahan api fotosintesis fosil.

Evolusi

Borang kehidupan fotosintesis pertama

Dalam cahaya evolusi, fotosintesis nampaknya merupakan proses yang sangat lama. Terdapat sejumlah besar bukti yang menunjukkan asal-usul jalan ini berhampiran dengan rupa bentuk kehidupan yang pertama.

Mengenai asal dalam eukariota, ada bukti yang menggalakkan yang mencadangkan endosymbiosis sebagai penjelasan yang lebih masuk akal untuk proses.

Oleh itu, organisma yang menyerupai sianobakteria boleh menjadi kloroplas, berkat hubungan endosymbiotik dengan prokariote yang lebih besar. Oleh itu, asal-usul evolusi fotosintesis dilahirkan di domain bakteria dan boleh diagihkan terima kasih kepada peristiwa-peristiwa besar-besaran dan berulang-ulang pemindahan gen mendatar.

Peranan oksigen dalam evolusi

Tidak ada keraguan bahawa penukaran cahaya yang bertenaga melalui fotosintesis telah membentuk persekitaran semasa planet bumi. Fotosintesis, dilihat sebagai inovasi, memperkaya suasana oksigen dan merevolusikan bentuk kehidupan yang bertenaga.

Apabila pelepasan O bermula2 oleh organisma fotosintesis yang pertama, ia mungkin dibubarkan di dalam air lautan, sehingga ia menenggelamkannya. Di samping itu, oksigen dapat bertindak balas dengan besi, merangsang dalam bentuk oksida besi, yang kini merupakan sumber mineral yang tidak ternilai.

Lebih banyak oksigen maju ke atmosfera, akhirnya menumpukan perhatian di sana. Peningkatan besar dalam kepekatan O2 Ia mempunyai akibat penting: kerosakan terhadap struktur biologi dan enzim, mengutuk banyak kumpulan prokariotik.

Sebaliknya, kumpulan lain menyampaikan adaptasi untuk hidup dalam persekitaran yang kaya dengan oksigen yang baru, dibentuk oleh organisma fotosintesis, mungkin cyanobakteria kuno..

Rujukan

  1. Berg, J. M., Stryer, L., & Tymoczko, J. L. (2007). Biokimia. Saya balik.
  2. Blankenship, R. E. (2010). Evolusi Awal Fotosintesis. Fisiologi Loji, 154(2), 434-438.
  3. Campbell, A, N., & Reece, J. B. (2005). Biologi. Ed. Panamericana Medical.
  4. Cooper, G. M., & Hausman, R. E. (2004). Sel: pendekatan molekul. Medicinska naklada.
  5. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Jemputan kepada Biologi. Ed. Panamericana Medical.
  6. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologi. Ed. Panamericana Medical.
  7. Eaton-Rye, J. J., Tripathy, B. C., & Sharkey, T. D. (Eds.). (2011). Fotosintesis: biologi plastid, penukaran tenaga dan asimilasi karbon (Bab 34). Sains & Media Perniagaan Springer.
  8. Hohmann-Marriott, M. F., & Blankenship, R. E. (2011). Evolusi fotosintesis. Kajian tahunan biologi tumbuhan, 62, 515-548.
  9. Koolman, J., & Röhm, K. H. (2005). Biokimia: teks dan atlas. Ed. Panamericana Medical.
  10. Palade, G. E., & Rosen, W. G. (1986). Biologi Sel: Penyelidikan Asas dan Aplikasi. Akademi Kebangsaan.
  11. Posada, J. O. S. (2005). Asas untuk penubuhan padang rumput dan tanaman makanan. Universiti Antioquia.
  12. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Fisiologi tumbuhan. Universitat Jaume I.