Fotosyntéza

Fotosyntéza (fotos-svetlo; syntéza-viazanie, zlučovanie) je jedinečný dej na Zemi, ktorého výsledkom je produkcia organických látok a kyslíka procesom viazania slnečnej energie a jej premeny na energiu chemických väzieb. Fotosyntéza je prvý a najdôležitejší proces premeny energie slnečného žiarenia na chemickú energiu. Vďaka fotosyntéze sa zároveň udržiava relatívne stály pomer kyslíka a oxidu uhličitého v atmosfére (O2: 21 %; CO2 : 0,03%). Z fyzikálneho hľadiska je teda fotosyntéza premenou energie svetelnej na chemickú. Z chemického hľadiska ide o prevedenie uhlíku z najviac oxidovanej formy s nízkou energiou (CO2) na redukovanú formu s vysokou energiou (sacharidy). Dá sa zapísať rovnicou:

E
12H2O + 6CO2 -------> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
chlorofyl

Evolúcia a fotosyntéza:
Fotosyntéza sa stala základným predpokladom biologickej existencie života na báze uhlíka. Prvotnou výživou najpôvodnejších organizmov boli pravdepodobne organické látky abiogénneho pôvodu. Prvé organizmy vôbec vznikali na dne oceánov, pretože voda pôsobila ako ochrana pred vysokou priepustnosťou UV žiarenia v redukčnej atmosfére. Proces autotrofie sa v evolúcii presadil v štádiu vzniku pigmentov, ktoré umožnili priebeh fotosyntézy. Prvými organizmami schopnými fotosyntézy boli pravdepodobne sinice, ktorým sa vyvinul asimilačný pigment fykocyanín.

Podmienky a predpoklady fotosyntézy:
Hlavný orgán rastlín, v ktorom prebieha fotosyntéza, je list, pretože má najväčší povrch, a teda i najviac plastidov. Hlavným predpokladom fotosyntézy je prítomnosť fotosynteticky účinných farbív, oxidu uhličitého, vody a energie slnka. Podmienkou fotosyntézy sú:
1. systémy chloroplastov-chlorofyl v rozličných komplexoch s bielkovinami,
2. energia žiarenia vlnovej dĺžky v intervale 400-700 nm (zelené rastliny, sinice, riasy), 300-950 nm (baktérie),
3. enzýmy ako biokatalyzátory a prenášače vodíka v redoxných reakciách,
4. dostupnosť CO2, H2O, RuBP (ribulóza-1,5-bisfosfát).
Až splnením týchto predpokladov a podmienok nastane absorpcia energie reakčnou sústavou a iniciuje sa proces fotosyntézy. Štrukturálny základ fotosyntézy:
Schopnosť uskutočňovať fotosyntézu majú prokaryotické organizmy (sinice, zelené baktérie) a eukaryotické organizmy (rastliny). Štrukturálnou jednotkou fotosyntézy sú pri vyšších rastlinách chloroplasty a v prípade prokaryotických siníc ich membránové štruktúry tylakoidy.

Chloroplasty obsahujú zelené farbivo chlorofyl, naviazaný na bielkovinový nosič. Na vnútorných membránach chloroplastov sú zrnité štruktúry (guľôčky), ktoré tvoria fotosystém I a fotosystém II. Sú to najmenšie elementárne častice schopné uskutočniť fotosyntetické reakcie, preto sa považujú za vlastné výrobné jednotky fotosyntézy. Fotosystém I a fotosystém II obsahuje:
- Fotochemické pigmenty, ktoré v prípade vyšších rastlín tvorí sedem rôznych typov chlorofylov. Najvýznamnejší z nich je chlorofyl a, ktorý absorbuje energiu svetla a dokáže využiť i energiu prenášačov. Asimilačné pigmenty sú bakteriochlorofyl (aktívny chlorofyl prokaryotov-červené baktérie), bakterioviridín (zelené, sírne baktérie), fykobilíny-fykocyanín (sinice), fykoerytrín (riasy) a napokon chlorofyl b c d e, karotény a xantofyly.
- Nefotochemické látky (organické), najmä cytochrómy, feredoxín a fytochinón, prenášajú na energiu bohaté elektróny späť k chlorofylu, pričom sa odovzdáva energia žiarenia.
- Koenzýmy (bielkoviny) - NADP (nikotínamid-adenín-dinukleotid-fosfát) a NAD, prenášajú vodík, tak vzniká redukovaná forma NADPH, ktorá sa uplatňuje pri redukcii oxidu uhličitého na cukor.

Chemické aspekty fotosyntézy:
Podstatou fotosyntézy je premena anorganických látok na organické sprevádzaná uvoľňovaním kyslíka za prítomnosti svetelnej energie a asimilačného farbiva. Proces možno rozdeliť na dve etapy:
1. Svetelná fáza. Uskutočňuje sa len za prítomnosti svetla. Premena slnečnej energie na chemickú je spojená s metabolizmom fosforečných zlúčenín prenosom elektrónov v oxidačno-redukčných reakciách.
2. Tmavá fáza. V tmavej fáze, ktorú reprezentujú biochemické procesy, nastáva transformácia anorganických látok na organické látky, pričom sa mení chemická energia adenozíntrifosfátu (ATP) na chemickú energiu organických zlúčenín. Redukcia oxidu uhličitého na sacharidy je možná len za prítomnosti ATP a NADPH, ktoré sa syntetizujú v svetelnej fáze. Sekundárne deje nezávisia priamo od svetla - môžu prebiehať aj za tmy.

Fyzikálno-chemický mechanizmus fotosyntézy:
Podstatou svetelnej fázy je transport elektrónov e­ spojený s tvorbou fosforečných zlúčenín bohatých na energiu, adenozíntrifosfátu (ATP). Uskutočňujú ho dve pigmentové sústavy.
Fotosystém I uskutočňuje 1. svetelnú reakciu, ktorá je aktivovaná najmä fotónmi s vlnovou dĺžkou do 730 nm.

Na systém asi 500 molekúl chlorofylu, ktoré majú funkciu zberačov energie, pripadá jedna molekula aktívneho chlorofylu vo forme rozličných komplexov s bielkovinami, ktorá je schopná pohltiť, absorbovať fotón.
Fotosystém II uskutočňuje 2. svetelnú reakciu, je zodpovedný za fotolýzu vody. V systéme sa uplatňujú rozličné komplexy chlorofylov, ktoré sa aktivujú fotónmi s kratšou vlnovou dĺžkou. Aktívny chlorofyl je chlorofyl a so schopnosťou absorbovať elektróny s maximálnou vlnovou dĺžkou.