Fotosentez süreci, organizmalar, çeşitleri, faktörleri ve fonksiyonları

fotosentez Güneş ışığının kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü ve organik moleküllerde depolandığı biyolojik süreçtir. Dünyadaki güneş enerjisi ile yaşam arasındaki bağlantıdır..

Metabolik olarak, bitkiler ototrofik olarak sınıflandırılır. Bu, hayatta kalmak için yiyecekleri tüketmeleri, fotosentez yoluyla kendileri üretebilmeleri gerektiği anlamına gelir. Tüm bitkiler, algler ve hatta bazı bakteriler, dokuların veya yapıların yeşil rengi ile karakterize fotosentetik organizmalardır.

Bu işlem, kloroplast adı verilen organeller içinde gerçekleşir: karmaşık reaksiyonların gelişmesini sağlayan bir dizi protein ve enzim içeren membranöz subselüler kompartmanlar. Ek olarak, klorofilin depolandığı fiziksel yer, fotosentezin gerçekleşmesi için gerekli pigment.

Karbon dioksitle başlayıp, karbondioksit ile başlayan ve bir şeker molekülüyle biten yol, hayranlık uyandıran ayrıntılarla bilinir. Güzergah tarihsel olarak aydınlık faza ve karanlık faza bölünmüş, kloroplastta uzamsal olarak ayrılmış.

Işık fazı, kloroplast thylakoid membranında gerçekleşir ve su molekülünün oksijen, proton ve elektronlardaki kopmasını içerir. Sonuncusu, bir sonraki aşamada kullanılan ATP ve NADPH formunda bir enerji rezervuarı oluşturmak üzere membrandan aktarılır..

Kloroplast stromasında fotosentezin karanlık aşaması gerçekleşir. Karbon dioksitin (CO) dönüşümünden oluşur₂) Calvin-Benson döngüsünün enzimleriyle karbonhidratlarda.

Fotosentez, gezegendeki tüm canlı organizmalar için ilk enerji ve oksijen kaynağı olarak hizmet veren çok önemli bir yoldur. Varsayım olarak, fotosentez çalışmayı durdurursa, tüm "üstün" canlıların kitlesel yok oluşu sadece 25 yılda gerçekleşir.

indeks

• 1 Tarihsel bakış açısı
• 2 Fotosentez denklemi
  • 2.1 Genel denklem
  • 2.2 Aydınlık ve karanlık faz
  • 2.3 ofG ° reaksiyonların
• 3 Nerede oluyor??
• 4 Süreç (fazlar)
  • 4.1 Işık fazı
  • 4.2 İlgili Proteinler
  • 4.3 Fotoğraf Sistemleri
  • 4.4 Döngüsel elektron akışı
  • 4.5 Diğer pigmentler
  • 4.6 Karanlık faz
  • 4.7 Calvin döngüsü
• 5 Fotosentetik organizmalar
• 6 Fotosentez Çeşitleri
  • 6.1 Oksijen ve anoksijenik fotosentez
  • 6.2 C4 ve CAM metabolizma tipleri
  • 6.3 Metabolizma C4
  • 6.4 Fotosentez KAM
• 7 Fotosentezde rol oynayan faktörler
• 8 İşlev
• 9 Evrim
  • 9.1 İlk fotosentetik yaşam formları
  • 9.2 Evrimde oksijenin rolü
• 10 Kaynakça

Tarihsel bakış açısı

Önceleri, bitkilerin toprakta mevcut humus sayesinde besinlerini hayvan beslenmesine benzer şekilde elde ettiği düşünülmüştü. Bu düşünceler Empedocles ve Aristoteles gibi eski filozoflardan geldi. Köklerin, bitkiyi besleyen göbek kordonları veya "ağızlar" gibi davrandığını varsaydılar..

Bu vizyon, fotosentezin temellerini ortaya çıkaran on yedinci ve on dokuzuncu yüzyıl arasındaki düzinelerce araştırmacının sıkı çalışması sayesinde giderek değişti..

Fotosentetik sürecin gözlemleri, Joseph Priestley'in fotosentezin, hücresel solunumun tersi fenomeni olduğu sonucuna vardığı yaklaşık 200 yıl önce başladı. Bu araştırmacı, atmosferde bulunan tüm oksijenin fotosentez yoluyla bitkiler tarafından üretildiğini keşfetti..

Daha sonra, bu işlemin etkili bir şekilde gerçekleşmesi için su, karbondioksit ve güneş ışığına olan ihtiyaçtan güçlü kanıtlar ortaya çıkmaya başladı..

19. yüzyılın başında klorofil molekülü ilk kez izole edildi ve fotosentezin kimyasal enerjinin depolanmasına nasıl yol açtığını anlamak mümkündü..

Gaz değişimi stokiyometrisi gibi öncü yaklaşımların uygulanması, nişastayı fotosentez ürünü olarak tanımlamayı başardı. Ek olarak, fotosentez, biyolojideki kararlı izotopların kullanımıyla çalışılan ilk konulardan biriydi..

Fotosentez denklemi

Genel denklem

Kimyasal olarak, fotosentez, bazı türlerin, elektronlarını indirgenmiş diğer türlere oksitlediği ve serbest bıraktığı bir redoks reaksiyonudur..

Genel fotosentez işlemi, aşağıdaki denklemde özetlenebilir: H₂O + ışık + CO₂ → CH₂O + O_2. CH terimi nerede₂VEYA (bir glikoz molekülünün altıda biri), sakaroz veya nişasta gibi bitkinin daha sonra kullanacağı şekerler denilen organik bileşikler anlamına gelir..

Aydınlık ve karanlık faz

Bu denklem, fotosentezin her aşaması için iki daha spesifik denkleme ayrılabilir: ışık evresi ve karanlık evre.

Işık fazı şu şekilde temsil edilir: 2H₂O + ışık → O2 + 4H⁺ + 4e^-. Benzer şekilde, karanlık faz aşağıdaki ilişkiyi içerir: CO₂ + 4H⁺ + 4e- → CH₂O + H₂Ey.

ΔG,° reaksiyonların

Serbest enerjiΔG,°) bu reaksiyonlar için: +479 kJ · mol^-1, +317 kJ · mol^-1 ve +162 kJ · mol^-1, Sırasıyla. Termodinamik tarafından önerildiği gibi, bu değerlerin pozitif işareti enerji gereksinimine dönüşür ve endergonik süreç olarak adlandırılır..

Fotosentetik organizma bu enerjiyi nereden alır, böylece reaksiyonlar ortaya çıkar? Güneş ışığından.

Fotosentezin aksine aerobik solunumun ekzonomik bir işlem olduğunu belirtmek gerekir - bu durumda ΔG ° değerine negatif bir işaret eşlik eder - serbest kalan enerjinin organizma tarafından kullanıldığı yerde. Bu nedenle, denklem: CH₂O + O₂ → CO₂ + 'H₂Ey.

Nerede ortaya çıkar??

Çoğu bitkide, işlemin gerçekleştiği ana organ yaprak üzerindedir. Bu dokularda, gaz giriş ve çıkışlarını kontrol eden stoma adı verilen küçük küresel yapılar buluyoruz..

Yeşil dokuyu oluşturan hücreler, içinde 100'e kadar kloroplast içerebilir. Bu bölmeler iki dış zarla ve üçüncü bir zar sisteminin bulunduğu stroma adı verilen sulu bir fazla yapılandırılmıştır: thylakoid.

Süreç (aşamalar)

Aydınlık faz

Fotosentez, dünyanın en bol bulunan pigmenti olan ışığı yakalamakla başlar: klorofil. Işığın emilimi, elektronların daha yüksek bir enerji durumuna uyarılmasına neden olur - böylece güneş enerjisini potansiyel kimyasal enerjiye dönüştürür..

Thylakoid membranında fotosentetik pigmentler, ışığı emen ve "reaksiyon merkezi" olarak adlandırılan klorofil molekülüne enerji aktaran bir anten görevi gören yüzlerce pigment molekülü içeren fotosantriklerde düzenlenir..

Reaksiyon merkezi, bir sitokromla bağlantılı transmembran proteinlerinden oluşur. Elektronları, bir dizi membran proteini yoluyla bir elektron taşıma zincirindeki diğer moleküllere aktarır. Bu fenomen ATP ve NADPH sentezi ile birleşti.

İlgili proteinler

Proteinler çeşitli komplekslerde düzenlenir. İkisi, ışığı absorbe etmekten ve reaksiyon merkezine transfer etmekten sorumlu olan I ve II fotosistemleridir. Üçüncü grup, sitokrom kompleksinden oluşur. bf.

Proton gradyanı tarafından üretilen enerji, protonların akışını ATP'nin sentezi ile birleştiren dördüncü kompleks ATP sentaz tarafından kullanılır. Solunumla ilgili en önemli farklılıklardan birinin, enerjinin sadece ATP değil, aynı zamanda NADPH olması olduğuna dikkat edin..

fotosistem

Fotosistem I, 700 nanometrelik bir emme tepe noktasına sahip bir klorofil molekülünden oluşur, bu yüzden P denir.₇₀₀. Benzer şekilde, fotosistem II'nin absorpsiyon zirvesi 680'dir, P₆₈₀.

Fotoğraf sisteminin I görevi NADPH'nin üretimi, fotoğraf sisteminin II ise ATP'nin sentezidir. Fotosistem II tarafından kullanılan enerji, su molekülünün yırtılmasından gelir, protonları serbest bırakır ve thylakoid zarından yeni bir gradyan oluşturur.

Yırtılmadan türetilen elektronlar yağda çözünen bir bileşiğe aktarılır: elektronları fotosistem II'den sitokrom kompleksi içine taşıyan plastokinon bf, ek bir proton pompalaması oluşturmak.

Fotosistem II'den elektronlar, NADP'yi azaltmak için yüksek enerjili elektronlar kullanan plastosiyanine ve fotosisteme I geçer.⁺ NADPH'a. Elektronlar nihayet ferrodoxin'e ulaşır ve NADPH'yi üretir.

Elektron döngüsel akış

ATP sentezinin NADPH sentezini içermediği, genellikle ihtiyaç duyulan metabolik işlemlere enerji sağlamak için alternatif bir yol vardır. Bu nedenle, ATP veya NADPH'nin üretilip üretilmediğine dair karar, hücrenin anlık ihtiyaçlarına bağlıdır.

Bu fenomen ATP'nin fotosistem I tarafından sentezini içerir. Elektronlar NADP'ye aktarılmaz⁺, fakat sitokrom kompleksine bf, elektron gradyanı oluşturma.

Plastosiyanin elektronları fotosistem I'e geri döndürür, taşıma döngüsünü tamamlar ve protonları sitokrom kompleksine pompalar bf.

Diğer pigmentler

Klorofil, bitkilerin sahip olduğu tek pigment değil, aynı zamanda karotenoidler dahil "aksesuar pigmentler" olarak da adlandırılır..

Fotosentezin aydınlık aşamasında, “tekli oksijen” gibi, potansiyel olarak hücreye zarar verebilecek elementlerin üretimi gerçekleşir. Karotenoidler, bileşik oluşumunu önlemekten veya doku hasarını önlemekten sorumludur..

Bu pigmentler sonbaharda gözlemlediğimiz, yapraklar yeşil renklerini kaybettiklerinde ve sararma veya turuncuya dönüştüğünde, bitkiler azot elde etmek için klorofili bozduğundan.

Karanlık faz

Bu başlangıç ​​işleminin amacı, güneş enerjisini NADPH (Nikotinamid-Adenin-Dinükleotit-Fosfat veya "azaltma gücü") ve ATP (adenosin trifosfat veya "hücrenin enerji para birimi") üretimi için kullanmaktır. Bu elementler karanlık fazda kullanılacak.

Bu aşamada yer alan biyokimyasal aşamaları açıklamadan önce, adının "karanlık faz" olmasına rağmen, tamamen karanlıkta olması gerekmediğini açıklığa kavuşturmak gerekir. Tarihsel olarak, terim ışığın bağımsızlığına gönderme yapmaya çalıştı. Başka bir deyişle, faz ışığın varlığında veya yokluğunda oluşabilir..

Bununla birlikte, faz, ışık fazında meydana gelen reaksiyonlara bağlı olduğundan - ki bu, ışık gerektirir - bu reaksiyon dizisini karbon reaksiyonları olarak adlandırmak doğrudur..

Calvin döngüsü

Bu aşamada, 1940 yılında Amerikalı araştırmacı Melvin Calvin tarafından açıklanan biyokimyasal bir yol olan Calvin döngüsü veya üç karbon yolu meydana gelir. Döngünün keşfi 1961'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü..

Genel olarak, döngünün üç temel aşaması açıklanmaktadır: CO alıcısının karboksilasyonu₂, 3-fosfogliseratın azaltılması ve CO alıcısının yenilenmesi₂.

Döngü, karbon dioksitin eklenmesi veya "sabitlenmesi" ile başlar. Elektron ilavesiyle karbonhidrat elde etmek için karbonu azaltın ve gücü azaltmak için NADPH kullanın..

Her turda, döngü, ribüloz bifosfat ile reaksiyona giren ve indirgenecek ve bir ribüloz molekülünü yeniden oluşturacak üç karbondan iki bileşik üreten bir karbon dioksit molekülünün dahil edilmesini gerektirir. Döngünün üç dönüşü bir gliseralhit fosfat molekülü ile sonuçlanır.

Bu nedenle, glikoz gibi altı karbonlu bir şekerin üretilmesi için altı döngü gereklidir.

Fotosentetik organizmalar

Organizmaların fotosentetik kapasitesi, bakteri ve ökaryotlardan oluşan iki alan içinde ortaya çıkar. Bu kanıtlara dayanarak, arkeolin bölgesini anlayan kişiler bu biyokimyasal yoldan yoksundur..

Fotosentetik organizmalar, modern bir siyanobakteriye benzer şekilde yapılandırılmış stromatolitler gibi yaklaşık 3,2 ila 3,5 milyar yıl önce ortaya çıkmıştır..

Mantıken fotosentetik bir organizma fosil kayıtlarında olduğu gibi tanınamaz. Bununla birlikte, morfolojileri veya jeolojik bağlamları dikkate alınarak çıkarımlar yapılabilir..

Bakterilerle ilgili olarak, güneş ışığını alma ve onu şekere dönüştürme kabiliyeti birçok Phyla'da yaygın bir şekilde dağılmış gibi görünmekle birlikte, belirgin bir evrim modeli görünmüyor.

En ilkel fotosentetik hücreler bakterilerde bulunur. Bunlar bakteriyoklorofil pigmentine sahiptir ve yeşil bitkilerin bilinen klorofiline sahip değildir..

Fotosentetik bakteri grupları siyanobakterileri, protobakterileri, yeşil kükürt bakterilerini, sertlikleri, filamentli anoksik fototrofları ve akidobakterileri içerir..

Bitkiler gelince, hepsi fotosentez yürütme kapasitesine sahip. Aslında, bu grubun en ayırt edici özelliği.

Fotosentez çeşitleri

Oksijenik ve anoksijenik fotosentez

Fotosentez farklı şekillerde sınıflandırılabilir. Birinci sınıflandırma, vücudun karbondioksitin azaltılması için su kullanıp kullanmadığını dikkate alır. Bu yüzden, bitkileri, algleri ve siyanobakterileri içeren oksijenik fotosentetik organizmalarımız var..

Aksine, vücut su kullanmadığında, bunlara anoksijenik fotosentetik organizmalar denir. Bu grup yeşil ve mor bakterileri, örneğin cinsleri içerir. Chlorobıum ve Chromatium, karbondioksiti azaltmak için kükürt veya gaz halinde hidrojen kullananlar.

Bu bakteriler oksijen varlığında fotosenteze başvuramazlar, anaerobik bir ortama ihtiyaçları vardır. Bu nedenle, fotosentez oksijen oluşumuna yol açmaz - bu nedenle "anojenik" adı verilir..

Metabolizma tipleri C₄ ve CAM

Fotosentez, bitkilerin fizyolojik adaptasyonlarına göre de sınıflandırılabilir..

CO azalması fotosentetik ökaryotlarda meydana gelir₂ Calvin döngüsünde atmosferden karbonhidratlara geliyor. Bu işlem rubisco (ribulose-1,5-bisfosfat karboksilaz / oksijenaz) enzimi ile başlar ve oluşan ilk kararlı bileşik 3-fosfogliserik asittir, üç karbon.

Yüksek radyasyon veya kuraklık olarak adlandırılan termal stres koşullarında, rubisco enzimi O arasında ayrım yapamamaktadır.₂ ve CO₂. Bu fenomen, fotosentezin etkinliğini önemli ölçüde azaltır ve buna fotorespirasyon denir..

Bu nedenlerden dolayı, bahsedilen rahatsızlıktan kaçınmalarını sağlayan özel fotosentetik metabolizmalara sahip bitkiler vardır..

Metabolizma C4

C tipi metabolizması₄ Amacı karbon dioksiti konsantre etmektir. Rubisco hareket etmeden önce, C bitkileri₄ PEPC tarafından ilk karboksilasyonu gerçekleştirmek.

İki karboksilasyon arasında mekansal bir ayrım olduğuna dikkat edin. C bitkiler₄ Anaofiye "kranz" veya korona, mezofilik hücreler tarafından oluşturulan ve normal fotosentez veya C'deki bu hücrelerin aksine fotosentetik olarak ayırt edilirler.₃.

Bu hücrelerde, ilk karboksilasyon, malatlara indirgenen ürün oksaloasetat olarak veren PEPC ile gerçekleşir. Bu, CO üreten bir dekarboksilasyon işleminin gerçekleştiği bölmenin hücresine yayılır.₂. Rubisco tarafından yönlendirilen ikinci karboksilasyonda karbondioksit kullanılır..

Fotosentez KAM

Crasuláceas'in CAM fotosentezi veya asit metabolizması aşırı kuruluk iklimlerinde yaşayan bitkilerin bir adaptasyonu olup ananas, orkideler, karanfiller, diğerleri gibi tipik bitki türleridir..

CAM tesislerinde karbondioksitin asimilasyonu gece saatlerinde gerçekleşir, çünkü stomanın açılmasıyla su kaybı günden daha az olacaktır..

CO₂ malik asit oluşturan PEPC ile katalize edilen bir reaksiyon olan PEP ile birleştirilir. Bu ürün içeriğini sabah saatlerinde serbest bırakan vakumlarda saklanır, daha sonra dekarboksilatlanır ve CO₂ Calvin döngüsüne katılmayı başarıyor.

Fotosentezde rol oynayan faktörler

Fotosentezin etkinliğinde rol oynayan çevresel faktörler arasında şunlar vurgulanmaktadır: Mevcut CO miktarı₂ ışık, sıcaklık, fotosentetik ürünlerin birikimi, oksijen miktarı ve suyun mevcudiyeti.

Bitki faktörlerinin yaş ve büyüme durumu gibi temel rolleri de vardır..

CO konsantrasyonu₂ çevrede düşüktür (hacmin% 0.03'ünü geçmez), bu nedenle herhangi bir minimal varyasyonun fotosentezde kayda değer sonuçları vardır. Ek olarak, bitkiler mevcut karbon dioksitin sadece% 70 veya% 80'ine sahiptir.

Belirtilen diğer değişkenlerden bir sınırlama yoksa, fotosentezin CO miktarına bağlı olacağını tespit ederiz.₂ mevcut.

Aynı şekilde, ışık yoğunluğu çok önemlidir. Düşük yoğunluklu ortamlarda, solunum işlemi fotosentezi geçecektir. Bu nedenle, fotosentez, sabahın ilk saatleri gibi güneş yoğunluğunun yüksek olduğu saatlerde daha etkindir..

Bazı bitkiler diğerlerinden daha fazla etkilenebilir. Örneğin, yem otları sıcaklık faktörüne çok duyarlı değildir.

fonksiyonlar

Fotosentez, dünyadaki tüm organizmalar için hayati bir süreçtir. Bu yol, güneş enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesini kolaylaştırdığından, oksijen kaynağı ve mevcut tüm trofik zincirlerinin temeli olan tüm yaşam biçimlerini desteklemekten sorumludur..

Başka bir deyişle, fotosentez soluduğumuz oksijeni üretir - yukarıda bahsedildiği gibi, bu element sürecin bir yan ürünüdür - ve günlük tükettiğimiz yiyecek. Neredeyse tüm canlı organizmalar, bir enerji kaynağı olarak fotosentezden türetilen organik bileşikleri kullanır.

Aerobik organizmaların, sadece oksijenin varlığında fotosentez ile üretilen organik bileşiklerden enerji elde edebildiklerini - ki bu işlemin bir ürünüdür..

Gerçekte, fotosentez, artan miktarda (200 milyar ton) karbon dioksiti organik bileşiklere dönüştürebilir. Oksijen ile ilgili olarak, üretimin 140 milyar ton aralığında olduğu tahmin edilmektedir..

Ek olarak, fotosentez, bize insanlığın fosilleşmiş fotosentetik yakıtlar şeklinde hayatta kalmak için kullandığı enerjinin çoğunu (bunun yaklaşık% 87'sini) sağlar..

evrim

İlk fotosentetik yaşam formları

Gelişimin ışığında, fotosentez çok eski bir süreç gibi görünüyor. Bu yolun kökenini, yaşamın ilk hallerinin ortaya çıkmasına yakın konumlandıran çok sayıda kanıt vardır..

Ökaryotlardaki orijin ile ilgili olarak, endosimbiyozu sürecin daha makul bir açıklaması olarak öneren çok büyük kanıtlar vardır..

Bu nedenle, siyanobakterilere benzeyen organizmalar, daha büyük prokaryotlarla endosimbiyotik ilişkiler sayesinde kloroplastlar haline gelebilir. Bu nedenle, fotosentezin evrimsel kökeni bakteri alanında doğar ve büyük ve tekrarlayan yatay gen aktarımı olayları sayesinde dağıtılabilir..

Evrimde oksijenin rolü

Hiç şüphe yok ki ışığın enerjik dönüşümünün fotosentez yoluyla gezegen dünyasının mevcut ortamını şekillendirdiği. Yenilik olarak görülen fotosentez, oksijen atmosferini zenginleştirdi ve yaşam formlarının enerjisini değiştirdi.

O'nun serbest bırakılması başladığında₂ ilk fotosentetik organizmalarla, muhtemelen doygun hale gelinceye kadar okyanusların suyunda çözüldü. Ek olarak, oksijen, şu anda paha biçilmez bir mineral kaynağı olan demir oksit formunda çöken demir ile reaksiyona girebilir.

Aşırı oksijen atmosfere ilerledi, sonunda orada konsantre oldu. O konsantrasyonunda bu büyük artış₂ Bunun önemli sonuçları vardır: birçok prokaryot grubunu kınayan biyolojik yapılara ve enzimlere zarar verme.

Buna karşılık, diğer gruplar fotosentetik organizmalar, muhtemelen eski siyanobakteriler tarafından oluşturulan yeni, oksijen bakımından zengin ortamda yaşamak için uyarlamalar sundu..

referanslar

1. Berg, J.M., Stryer, L. ve Tymoczko, J.L. (2007). biokimya. Geri döndüm.
2. Boşluk, R.E. (2010). Fotosentezin Erken Gelişimi. Bitki Fizyolojisi, 154(2), 434-438.
3. Campbell, A, N. ve Reece, J. B. (2005). biyoloji. Ed. Panamericana Medical.
4. Cooper, G.M., ve Hausman, R.E. (2004). Hücre: Moleküler yaklaşım. Medicinska naklada.
5. Curtis, H. ve Schnek, A. (2006). Biyolojiye Davet. Ed. Panamericana Medical.
6. Curtis, H. ve Schnek, A. (2008). Curtis. biyoloji. Ed. Panamericana Medical.
7. Eaton-Rye, J.J., Tripati, B.C., ve Sharkey, T.D. (Eds.). (2011). Fotosentez: plastid biyoloji, enerji dönüşümü ve karbon asimilasyonu (Cilt 34). Springer Bilim ve İş Medyası.
8. Hohmann-Marriott, M.F., & Blankenship, R. E. (2011). Fotosentezin evrimi. Bitki biyolojisinin yıllık incelemesi, 62, 515-548.
9. Koolman, J. ve Röhm, K. H. (2005). Biyokimya: metin ve atlas. Ed. Panamericana Medical.
10. Palade, G.E., & Rosen, W.G. (1986). Hücre Biyolojisi: Temel Araştırma ve Uygulamalar. Ulusal Akademiler.
11. Posada, J. O. S. (2005). Mera ve yem bitkilerinin kurulması için temeller. Antioquia Üniversitesi.
12. Taiz, L. ve Zeiger, E. (2007). Bitki fizyolojisi. Jaita Üniversitesi I.