Fotosinteza

Shema fotosinteze

Fotosinteza je važan biohemijski proces u kojem biljke, alge i neke bakterije koriste energiju sunčevog zračenja kao izvor energije za sintezu hrane. Tada se od prostog neorganskog materijala (ugljenik(IV)-oksid i voda) sintetišu šećeri - monosaharidi. Ovako sintetisane organske materije predstavljaju izvor hrane i energije kako biljkama u kojima se sintetišu, tako i ostalim organizmima na Zemlji, što čini ovaj proces krucijalnim za opstanak života na Zemlji. Fotosinteza je zaslužna i za konstantnu proizvodnju kiseonika. Organizmi koji proizvode energiju fotosintezom nazivaju se fototrofi.

Uvodno o fotosintezi

Ime procesa potiče od grčkih reči φότος (svetlost), συν- (zajedno) i τιθεναι (staviti). Sunčeva svetlost igra veoma veliku ulogu u našem opstanku na planeti Zemlji: sva hrana koju jedemo i sva fosilna goriva koja koristimo su proizvod fotosinteze. Osim toga, to je proces koji pretvara energiju sunca u hemijske oblike energije koji mogu da se koriste u biološkim sistemima. Za život većine životinja, važan je čak i sporedan proizvod ovog procesa, kiseonik!

Obavljaju je različiti organizmi, od viših biljaka i algi do bakterija (cijano bakterije i njima srodne bakterije). Svi ovi organizmi vrše pretvaranje neorganskog ugljenika (iz ugljen-dioksida) u organski oblik ugrađen u ugljene hidrate kroz niz složenih reakcija. Izvor energije, neophodne za ovaj proces, je sunčeva svetlost koju apsorbuju pigmenti (prvenstveno hlorofil i karotenoidi). Hlorofil apsorbuje plavu i crvenu, a krotenoidi plavo-zelenu svetlost. Kroz lišće se propušta svetlost koja nije apsorbovana, a to je zelena i žuta. Zato je lišće zelene boje.

Drugi fotosintetski organizmi, kao što su cijanobakterije i crvene alge, imaju dodatne pigmente, fikobiline, koji apsorbuju onaj deo vidljive svetlosti koji ne mogu hlorofil i karotenoidi. Bakterije koje sadrže posebnu vrstu hlorofila, tzv. bakteriohlorofil, apsorbuju plavidao vidljive svetlosti i infracrveni deo spektra. Te bakterije obavljaju fotosintezu u anaerobnim uslovima, bez kiseonika pa se u takvoj fotosintezi kiseonik i ne stvara. One veoma efikasno koriste infracrvenu svetlost za fotosintezu. Infracrvena svetlost je talasne dužine iznad 700 nm i ne može se videti golim okom. Golim okom se ne vidi ni ultraljubičasta svetlost, talasne dužine ispod 400 nm, ali većina pigmenata nije efikasna u asorpciji ove svetlosti. Svetlost talasne dužine ispod 330 nm je štetna za ćelije. Takva svetlost kratkih talasnih dužina se prolazeći kroz atmosferu filtrira pre nego što stigne na Zemlju. Najznačajniji filter koji sprečava štetno dejstvo kratkotalasne svetlosti je ozonski sloj. Zbog toga je od posebnog značaja očuvanje celovitosti ovog omotača.

Faze fotosinteze

Fotosinteza je osnovni proces u prirodi zato što obezbeđuje organske materije za sve žive organizme. Sve ostale sinteze u živim bićima nastavljaju se na fotosintezu.

Odvija se kroz dve faze:

• svetlu, za koju je neophodna svetlost, i
• tamnu, za čije odvijanje svetlost nije neophodna.

Zbirna jednačina fotosinteze je:

CO₂ + 2n H₂O + svetlost → (CH₂O)_n + n O₂ + n H₂O

ili

6 CO₂ + 6 H₂O + svetlost → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

U svetloj fazi hlorofil apsorbuje (upija) Sunčevu svetlost da bi se ona zatim pretvorila u hemijsku energiju (molekule ATP-a). U ovoj fazi dolazi i do proizvodnje kiseonika koji se oslobađa u atmosferu (još jedan značaj fotosinteze). Život na našoj planeti zasniva se na pretvaranju sunčeve u hemijsku energiju.

U tamnoj fazi se pomoću ATP, stvorenog u svetloj fazi, od neorganskih (CO₂ i H₂O) sintetišu organske materije.

Svetla faza (fotohemijska faza)

Transportni lanci elektrona u cikličnoj i necikličnoj fotofosforilaciji

U hloroplastima se na tilakoidima nalaze pigmenti i enzimi koji zajedno nagrade dva fotosistema:

• FS1 i
• FS2.

Kada molekul hlorofila apsorbuje svetlost, njegov elektron na spoljnoj orbitali postaje pobuđen, usled viška energije, pa napušta molekul hlorofila. Oslobođeni elektron prihvataju prenosioci (transportni lanac elektrona), koji su poređani tako da elektron uvek sa višeg prelazi na niži energetski nivo. Prelaskom sa višeg na niži energetski nivo elektron otpušta deo energije koju prima ADP-a i pretvara se u ATP. ATP predstavlja glavni izvor energije u ćeliji za sve njene funkcije. Svetlosna energija, pretvorena u električnu (energija elektrona) je krajnje transformisana u korisnu hemijsku energiju.

Sinteza ATP u svetloj fazi fotosintezi naziva se fotofosforilacija i može biti:

• ciklična, u kojoj elektron izbačen iz fotosistema1 preko niza prenosilaca (transportni lanac elektrona) ponovo vraća u FS1; u ovom procesu ne učestvuje NADP;
• neciklična

U necikličnoj fosforilaciji krajnji primalac elektrona je koenzim NADP koji primanjem elektrona postaje redukovani NADPH. Fotosistem 1 svoj izgubljeni elektron nadoknađuje iz FS 2, a FS 2 nadoknađuje elektron iz vode. Voda se razlaže na kiseonik (odlazi u atmosferu) i vodonikove jone koje prihvata NADP i postaje NADPH2. Prema tome, voda je primarni davalac, a NADP krajnji primalac elektrona u svetloj fazi.

Krajnji proizvodi svetle faze su:

• kiseonik
• ATP i
• redukovani NADPH2.

ATP i NADPH2 odlaze u tamnu fazu, a kiseonik se ispušta u atmosferu.

Tamna faza (termohemijska faza)

Proizvodi svetle faze, ATP (sadrži energiju) i NADPH2 (donosi vodonik poreklom iz vode), se koriste u tamnoj fazi da bi se neorganski ugljenik iz CO2 ugradio u organska jedinjenja. To se naziva fiksacija ugljenika i izvodi se u Kalvinovom ciklusu u stromi hloroplasta. Početno jedinjenje ovog ciklusa je istovremeno i završno i naziva se ribulozodifosfat (RuDP). Ugljen-dioksid iz atmosfere ulazi u ćeliju (hloroplaste) i vezuje se za RuDP (ima 5C atoma) pri čemu nastaje jedno nestabilno jedinjenje sa 6 C atoma koje se razlaže na dva molekula fosfoglicerinske kiseline (sa po tri S atoma). Da je to prvi stabilan proizvod tamne faze fotosinteze otkrio je Kalvin i za to otkriće 1961. g. dobio Nobelovu nagradu za hemiju. Preko niza proizvoda u toku ciklusa opet se stvara RuDP.

Pri okretanju jednog Kalvinovog ciklusa u organska jedinjenja se ugradi jedan C atoma iz CO2. Znači, da bi nastao jedan molekul fruktoze ciklus mora da se okrene 6 puta.

U najkraćim crtama

• Sunčeva energija se transformiše u hemijsku (molekuli ATP-a) u svetloj fazi pomoću hlorofila.
• Razgradnjom ATP-a na ADP, u tamnoj fazi, fosfatna grupa iz ATP se vezuje za jedinjenja, obogaćuje ih energijom i omogućava odvijanje reakcija u Kalvinovom ciklusu.
• NADPH2 donosi vodonik (nastao u svetloj fazi razlaganjem vode) koji se ugrađuje u organska jedinjenja.

Animacija

• trasport elektrona i sinetza ATP-a

Literаturа:

• Vujаklijа, M: Leksikon strаnih reči i izrаzа, Prosvetа, Beogrаd
• Grozdаnović-Rаdovаnović, Jelenа: Citologijа, ZUNS, Beogrаd, 2000
• Diklić, Vukosаvа, Kosаnović, Mаrijа, Dukić, Smiljkа, Nikoliš, Jovаnkа: Biologijа sа humаnom genetikom, Grаfopаn, Beogrаd, 2001
• Kаrlson, P: Biokemijа, Školskа knjigа, Zаgreb, 1976
• Pаntić, R, V: Biologijа ćelije, Univerzitet u Beogrаdu, Beogrаd, 1997
• Petrović, N, Đorđe: Osnovi enzimologije, ZUNS, Beogrаd, 1998
• Šerbаn, M, Nаdа: Ćelijа - strukture i oblici, ZUNS, Beogrаd, 2001