Fotosynteza i chemosynteza
Autotrofizm – samożywne - fotosynteza lub chemosynteza
Heterotrofizm – cudzożywne – spożywają pokarmy w całości, kawałkach itp.
Fotosynteza
dzięki chlorofilowi roślin produkowany pokarm i woda z solami min.
H2O + sole min + chlorofil + en.sł. ->C6H12O6 (glukoza)+ ATP (energia)
Istota fotosyntezy – przekształcanie en. słonecznej w en. wiązań chem.
Gł. organem fotosyntezy jest liść
Chloroplast – gł. miejsce procesu fotosyntezy. Ułożenie błon w chloroplastach jest równoległe. Barwnik zielony zlokalizowany w granach.
Chemizm fotosyntezy
Faza jasna fotosyntezy – w granach
Faza ciemna fotosynt. – w stromie
FAZA JASNA (świetlna)
Szereg r-ji fotochem. Istota – przekształcenie en. sł. w en. wiązań chem zaw w ATP. Brak św – zatrzymanie fazy. Wytw tzw. siły asymilacyjnej umożliwia zachodzenie dalszych etapów. Ogólnie mówiąc dochodzi do wytworzenia – naładowania ATP e zredukowania NADP+ do NADPH2. Tę część fotosyntezy określa się jako fazę przemiany energii związaną z błonami tylakoidów gran. Ubocznym produktem tej fazy jest tlen.
12H2O + en św +18ADP + 18Pi -> 12 H2 + 18ATP + 6O2.
Efektem fazy świetlnej jest zredukowanie ADP do ATP. Energia słoneczna jest absorbowana w chloroplastach przez 2 układy barwników: PS I i PS II. W układach tych zdolność do przeprowadzania r-ji fotechem mają ściśle określone cząsteczki chlorofilu A: PS I – 700, PS II – 680. Pozostałe cząst w tych systemach – układach to „normalne” cząst chlorofilu A (683) oraz cząst karotenoidów, chlorofilu B. One to absorbują światło słon o innej dł fali i przekazują na cząsteczki centrum aktywnego. Elektron może być wybity TYLKO z cząst centrum aktywnego.
Kwantosom – cząsteczka barwnika będącą centrum aktywnym i zespół barwników towarzyszących
Przenośniki białkowe: ferredoksyna (białko zaw. Fe, najbardziej ulega utlenieniu), cytochromy, plastochino, plastocjanina
Fosforyzacja cykliczna – elektron wracający do cząst chlorofilu, z którego został wybity, oddaje energię akumulowaną w ATP
Fosforyzacja niecykliczna – dochodzi do fotolizy wody, wytworzenie NADPH2
FAZA CIEMNA
Zachodzi w stromie – cykl Kelwina – Bensona. Cykl składa się z 3 faz: 1. Karboksylacja, 2. Redukcja, 3. Regeneracja.
1. zaczyna się od cukru C5 RuDP – rybulozo – 1,5 – dwufosforan.
RuDP + CO2 -> C6 (C3, C3 – PGA – kwas 3-fosffoglicerynowy)
RuDP jest pierwotnym akceptorem dwutlenku węgla.
2. siła asymilacyjna „idzie” do PGA. Redukuje PGA do aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Potrzebne do redukcji energia i H czerpane z siły asymilacyjnej. Aldehyd jest triozą.
3. Aldehyd wchodzi do 3. etapu – regeneracji. Jego cząsteczki kierowane są do syntezy asymilatu i regeneracji RuDP.
Aldehyd 3-fosfoglic. ->RuDP lub glukoza.
Nie wszystkie cząsteczki aldehydu idą do wytworzenia glukozy. Część z nich odtwarza RuDP.
Liść jako organ asymilujący: U okrytonasiennych duża pow. blaszki liściowej. Umożliwia to dużą absorpcję światła słonecznego. Liść okryty skórką (przezroczystą) z kom. szparkowymi, bez chloroplastów – bezbarwna warstwa ochronna. Clorenchyma – miękisz asymilacyjny. Liść ma bardzo bogatą sieć unaczynień.
Dużą rolę przy budowie liścia odgrywa światło. Liście roślin światłolubnych posiadają więcej warstw miękiszu palisadowego niż roślin cieniolubnych – natomiast wpływ światła na grubość miękiszu gąbczastego jest niewielka.
W procesie fotosyntezy większą rolę odgrywa miękisz gąbczasty:
1. lepiej zaopatrzony w sole mineralne niż palisadowy
2. transpiracja z miękiszu gąbczastego do przestworów międzykom. Jest silniejsza niż w m. palisadowym
3. tkanka sitowa (floem) odprowadzająca asymilaty zlokalizowana od strony miękiszu gąbczastego
Bilans fotosyntezy
Na redukcję 1 cząsteczki CO2 chloroplast zużywa: 2 cząst NADPH2 i 3 cząst ATP, z których jedna zostaje wykorzystana do fofsorylacji RuDP, a 2 cząst ATP uczestniczą bezpośr w proc redukcji. Z każdych 12 wytworzonych cząsteczek triozy, 2 zostają zużyte do syntezy heksozy, a 10 do regenarcji RuDP – akceptor CO2.
RuDP + 6CO2 + 18ATP + 12NADPH +12H -> 6RuDP + heksoza + 18ADP + 18Pi + 12NADP+
Cykl Kelwina – Bensona to cykl C3. W fotosyntezie wyróżniamy też cykl C4. Przeprowadzają go niektóre rośl z rodziny traw, turzyc, wilczomleczy, gł roślin tropikalnych z obszarów o chwilowym niedoborze H2O, wysokiej temp i dużym nasłonecznieniu. Rośl przeprowadzające cykl C4 charakteryzują się dużą intensywnością fotosyntezy, szybkim wzrostem, a także odpornością na brak H2O. Gospodarka wodna tych roślin jest b oszczędna. Ponieważ pierwszym trwałym prod karboksylacji fotosyntetycznej u tych roślin są kwasy 4-węglowe, dlatego cykl ten nazywa się C4.
C3: CO2 +RuDP -> C6 (C3, C3 – PGA)
C4: CO2 + PEP (kwas fosfoendopirogronowy) -> C4 (szczawiooctan)
W jednej rodzinie roślin można spotkać rośliny przeprowadzające fotosyntezę C3 i C4. Wykształcenie typu metabolizmu fotosyntezy uzależnione od środowiska.
U roślin C4 w fazie ciemnej akceptorem CO2 jest związek 3-węglowy – PEP – fosfoendopirogronian. Otrzymujemy kwas szczawiooctowy, który jest redukowany do kwasu jabłkowego (jabłczan), który ullega dekarboksylacji (odłączanie CO2), a CO2 wiązany przez RuDP, oraz powstaje kwas pirogronowy, z którego może wyodrębnić się PEP. W cyklu C4 jest duże stężenie CO2. Sprzyja to wydajniejszej fotosyntezie.
Czynniki fotosyntezy
Intensywność fotosyntezy jest modyfikowana przez wiele czynników: zewnętrznych i wewnętrznych. Czynniki zewn.: CO2, O2, H2O, światło, temperatura, wiatr, składniki min., zanieczyszczenie powietrza. Czynniki wewn.: bud. anatomiczna liścia, aparatów szparkowych, zawartość barwników fotosyntetycznych, budowa i ruchy chloroplastów.
Fotooddychanie
Obejmuje chloroplasty i peroksysomy. Uwarunkowane światłem pobieranie tlenu i wydzielanie CO2. Jest to proces charakterystyczny dla roślin typu C3 i wiąże się z różnym działaniem pierwszego enzymu cyklu Kalvina w różnych warunkach tlenowych.
Chemosynteza
Organizmy żywe chemosyntetyzujące (bakterie) wykorzystują do produkcji zw. org. energię chemiczną, która wyzwala się w procesie utleniania związków takich jak amoniak, mocznik, CO, H. Jest to proces syntezy związków organicznych z nieorganicznych przy udziale energii wyzwalanej podczas utleniania, różnych związków nieorgan., np. CO, NH3, lub prostych zw. org., np. CH4, jonów, np. Fe2+ lub pierw., np. S, H.
Chemosynteza to autotrofizm. Proces utleniania regulują bakterie ze zreduk. zw. org. i nieorg. lub pierw. (H2S, S, NH3, HNO3, CO, Ffe, H2).
REAKCJE CHEMOSYNTEZY:
I: SUBSTRAT + 1/2 O2 -> SUBSTRAT utleniony + ENERGIA
II: CO2 + H2O + ENERGIA -> ZW.ORG. + O2^
W rolnictwie bardzo ważną rolę odgrywają bakterie siarkowe i nitryfikacyjne.
Nitryfifkacyjne zatrzymują w glebie amoniak wydzielający się w procesie mineralizacji resztek pożniwnych. Współdziałają 2 rodzaje bakterii: I: Nitrosomonas i II: Nitrosobakter, przekształcające amoniak w azotany.
I: 2NH3 + 3O2 ->2HNO2 + 2H2O + EN.
II: WHNO2 + O2 -> 2HNO3 + EN.
HNO3 występuje w glebie w postaci zdysocjowanej, a jony te są bardzo łatwo pobierane przez rośliny.
Nitrosomonas – bardzo silnie absorbowane przez glebę, bardzo odporne na brak wody, mogą dużo czasu przetrwać w utajnieniu.
Niektóre z bakterii siarkowych bdb rozwijają się w środ. kwaśnym. Utlenianie H2S do siarczanu jest procesem wieloetapowym. Poszczególne etapy prowadzone są przez różne szczepy bakterii. Bakterie nitryfikacyjne i siarkowe pełnią bardzo ważną rolę w glebie, uwalniają ją z toksyn, przyczyniając się m.in. do obiegu pierw. Natomiast bakterie wodne przyczyniają się do szmooczyszczania ścieków, a bakterie glebowe – do żyzności gleby.