Fotosyntéza

(gr.fotos-svetlo,synthessis-viazanie,zlučovanie)

- je to jedinečný metabolický dej, ktorého výsledkom je vznik organických látok a kyslíka procesom viazania slnečnej energie a jej premeny na chemickú energiu
- jej priebeh môžeme vyjariť sumárnou rovnicou

12 H2O + 6 CO2 ————>C6H12O6 +6O2+6H2O

- podstatou fotosyntézy je premena atmosférického CO2 na glukózu ,sprevádzaná uvoľňovaním kyslíka,využitím svetelnej energie a asimilačných farbív
- hl.orgánom f.je list,pretože má najväčší povrch tela a teda aj najviac plastidov

Kľúčovú úlohu majú asimilačné farbivá ktoré selektívne zachytávajú a spracúvajú energiu slnečných lúčov príslušnej vlnovej dĺžky (380/400nm-700nm:
 
1,chlorofyl a-fotosynteticky aktívny modrozelený,ktorého doplnkom je žltozelený chlorofyl b
2,karotenoidy(oranžový beta-karotén a xantofyly,ktoré sú žltej až hnedej farby)
3,fykobilíny(farbivá siníc-modrý fykocyanín a červený fykoerytrín)

Sú naviazané na bielkovinový nosič chloroplastových membrán.
Asimilačné pigmenty fungujú ako zberače slnečnej energie ,ktorú prenášajú až na konečný akceptor (prijímač) .
Chlorofyl a,tzv.aktívny chlorofyl (ako jediný pigment nielen pasívne absorbuje energiu prenášačov,ale dokáže ju aj aktívne využiť)

Chemické procesy fotosyntézy
1. primárne procesy(svetelná fáza)
-sú viazané na svetlo a sú spojené s premenou slnečnej energie na energiu chemických väzieb.Táto fáza f. sa nazýva fotochemická fáza( prebieha na membránach chloroplastov –v tylakoidoch)
-fotosyntetický prenos elektrónov
Podmienkou priebehu tejto fázy je: prítomnosť:
-asimilačných farbív
-vody
-energie žiarenia vlnovej dĺžky(400-700nm)
-koenzýmov ako prenášačov vodíka v redoxných reakciach(NADPH +H+)

1,-jej základný princíp je viazanie fotónov asimilačnými farbivami a premena ich energie
na chemickú energiu.
Prebieha fotofosforylácia, čo je spôsob tvorenia ATP ,keď sa energia fotónov zabuduje pomocou fotosystémov (transmembránové proteinové komplexy v tylakoidoch –oxidačno-redukčné systémy,kt.slúžia ako meniče energie) do makroergických fosfátových väzieb ATP(neskôr slúži ako univerzálny prenášač energie)
Fotosystémy rozlišujeme na fotosystém I (uplatňuje sa pri zachytávaní svetla s vlnovou dĺžkou 700nm a viac) a fotosystém II ( pri absorbovaní svetla s vnovou dĺžkou 680nm a menej)
2, prebieha tu aj fotolýza vody,čo je proces disociácie vody pod vplyvom svetelného žiarenia a príslušnej pigmentovej sústavy. Jej vedľajším produktom je molekulový kyslík,kt.sa uvoľňuje do prostredia.Vodík, ktorý sa viaže na NADP+ a vzniká NADPH +H+ ,kt.má funkciu redukovadla CO2.

NADP + H2 ————> NADPH +H+
H2O ————>O2 + 2H+ +2é
I I
Odpadový produkt sú najdôležitejšie/excipujú/

2.sekundárne procesy (tmavá alebo syntetická fáza)
-nie sú priamo viazané na svetlo
-jej podstatou je premena CO2 na C6H12O6(glukóza),kde sa CO2 redukuje vodíkom,ktorého prenášačom je NADP+ ————> oxid uhličitý sa fixuje na vhodný substrát.Jeho primárnym akceptorom je molekula RuBP(ribolúza 1,5 bisfosfát).Po naviazaní vznikne nestabilný šesťuhlíkový medziprodukt,ktorý sa rozpadne na dve molekuly trojuholníkovej kyseliny.
Glukóza môže neskôr polymerizovať a vytvárať škrob,to znamená že proces tvorby glukózy je cyklický.
Podmienky priebehu:
dostupnosť oxidu uhličitého a ATP,prítomnosť organického substrátu,špecifivňckých enzýmov a koenzýmov
Na premenu látok je využitá energia väzieb ATP a vodík na redukciu CO2 dodáva
NADPH +H+
CALVINOV-BENSOV CYKLUS
-je to zložitá metabolická dráha,ktorá využíva redukovaný koenzym a ATP k syntéze hexózy z CO2
Akceptorom oxidu uhličitého je ribulóza – 1,5-bisfosfát(pentóza).
Vzniknú 2 molekuly 3-uhlíkovej karboxylovej kyseliny(kys.3-fosfoglycerová),ktorá sa za účasti ATP redukuje koenzymom NADPH2 na 2 molekuly aldehydu.Z nich kondenzáciou vzniká molekula hexózy.
Zo šiestich molekú pentózy a šiestich molekúl CO2 vznikne s využitím energie 48 fotónov
6 molekúl hexózy.Z nich jedna predstavuje čistý zisk a ostatné sa premenia na 6 molekúl pentózy.Produktom fotosyntézy nie je voľná glukóza,ale škrob,z neho sa môže uvoľniť glukóza a prejsť do cytoplazmy.
Reakcia Calvinovho cyklu od kyseliny fosfoglycerovej až po hexózu sú v podstate obrátené reakcie glykolýzy (podobne prebiehajú tieto reakcie v pečeni pri resyntéze glykogénu z kyseliny mliečnej,nahromadenej pri intenzívnej svalovej práci.)

V fotosyntetickom Calvinovom cykle je prvým stabilným produktom kyselina 3-fosfoglycerová,teda zlúčenina s tromi atómami uhlíka.Rastliny s týmto typom fixácie označujem ako C3.pšenica,raž,ovos
Americký vedec M.Calvin,kt.opísal celý tento zložitý sled chemických reakcií a dokázal,že ide o cyklický dej získal v roku 1961 za svoj objav Nobelovu cenu za biochémiu.


HATCH-SLACKOV CYKLUS
Akceptorom pre oxid uhličitý je fosfoenolpyruvát,vzniká štvoruhlíkový C4 oxalacetát,kt.sa premieňa na malát alebo asparát.Keďže tieto rastliny majú malú fotorespiráciu,tvoria veľa sacharidov (kukurica, proso,cukrová trstina,tropické rastliny)–rastliny C4.

FAKTORY ovplyvňujúce fotosyntézu
1,vnútorné
(celkový fyziologický stav rastliny a rozličné metabolické procesy)
-množstvo a kvalita chlorofylu,nahromadenie asimilátov,vek listov aj celej rastliny,postavenie lisov(dostatočný prístup svetla)
2,vonkajšie
a , intenzita svetla –najúčinejšie je červené a modrofialové žiarenie,najmenej účinné je zelené.Ultrafialové brzdí,infračervené je fotosynteticky neúčinné.Z dopadajúceho svetla dokáže rastlina využiť asi 2%,ostatné svetlo odráža alebo prepúšťa.
Kompenzačný bod –intenzita svetla,pri ktorej rastlina viaže toľko CO2 ,koľko ho vylúči pri dýchaní.
Rastliny svetlomilné(heliofyta)-vysoké požiadavky na intenzitu svetla
Tieňomilné(sciofyta)-vyžadujú zníženú intenzitu svetla
b, koncentrácia CO2 V atmosfére je zastúpený 0,03%.Veľké zvýšenie alebo zníženie jeho koncentrácie spomalí alebo zastaví f.,malé zmeny ju neovplyvňujú.
c, teplota Ovplyvňuje ju veľmi výrazne .Optimálna teplota pre fotosyntézu je pre rôzne rastliny rôzna. Napr. rastliny C3 (15 až 25°C),rastliny C4 ( 25 až 40°C)
Pri týchto teplotách sa zastavuje fotosyntéza a dochádza k hromadeniu asimilátov: ihličnaté r.( -7 až -5 °C),tropické rastliny(4 až 8°C),
zásobovanie vodou – prebytok vody v pôde= nedostatok kyslíka pre korene= zníženie intenzity fotosyntézy
e, minerálne látky – N je súčasť stavebných proteínov a enzýmov, P je významný pre syntézu adenylátov a zabezpečuje prenos energie, K pre reguláciu turgoru a pohybu buniek prieduchov. Významné sú:Fe,Mg,Cu,Cl,Zn.

Význam f.
1,Je to jediný prírodný proces tvorby organických látok a kyslíka, ktorý rastliny uvoľňujú do atmosféry–organické látky,kt. vznikajú pri fotosyntéze spôsobujú, že ďalšie organické látky sa môžu zúčastňovať na biosyntéze a energia,kt.tu vznikne sa využíva pri disimilácii
-kyslík v molekulovej podobe sa nenachádza nikde inde na Zemi
2,je predpoklad biologickej existencie života na uhlíkovom základe –prvé organizmy, ktoré boli schopné fotosyntézy boli sinice,ktorým sa vyvinul asimilačný pigment fykocyanín/modrozelený/
3,tvorí predpoklad vzniku fosílnych palív-fosilné palivá/ropa,uhlia,zemný plyn/ sú produktmi fotosyntézy, sú nahromadené v dávnych geologických dobách, vznikli činnosťou zelených rastlín.