Fotosyntéza a dýchanie rastlín

Fotosyntéza

Skladá sa z gréckych slov fotos = svetlo a synthessis = viazanie, zlučovanie
Je jedinečný dej na zemi, ktorého výsledkom je vznik O2 a OL procesom viazania slnečnej energie a jej premeny na chemickú energiu.
Vďaka fotosyntéze sa udržuje relatívne stály pomer O2 a CO2 v ovzduší.
Je autotrofný spôsob výživy typický len pre zelené rastliny, ktoré obsahujú asimilačné farbivá (chlorofyl). Ide o proces, pri ktorom sa premení energia svetla na energiu chemických väzieb v organických molekulách – v glukóze.
Fotosyntéza je proces nazývaný fotosyntetická asimilácia = z látok jednoduchších (CO2 a H20) vznikajú látky zložitejšie (glukóza), za súčasného uvoľnenia O2.
Asimilačné farbivá: karotenoidy a chlorofyly. Každé z nich absorbuje inú časť spektra viditeľného svetla v škále od 400 do 700 nanometrov. Fotosynteticky aktívny je modrozelený chlorofyl a.
Rovnica: 6CO2 + 12H2O chlorofyl, slnečné žiarenie > C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Fotosyntézu možno rozdeliť na dve fázy:

A) SVETELNÁ FÁZA:

ide o primárne procesy, ktoré prebiehajú na membráne tylakoidov v chloroplastoch
ich podstatou je premena slnečnej energie na energiu chemických väzieb
uskutočňuje sa v dvoch po sebe nasledujúcich krokoch prostredníctvom fotosystému I a II (sústavy prenášačov a farbív, ktorých podstatnou zložkou je chlorofyl)

fotosystém I (P700)

absorbuje svetelné žiarenie s maximálnou vlnovou dĺžkou 700 nm.

Prijme svetelné žiarenie, prejde do excitovaného stavu a uvoľní elektróny, ktoré môžu buď redukovať NADP+ na NADPH+H+(využíva sa v tmavej fáze), alebo sa vrátiť späť, pričom časť ich energie sa využije na tvorbu ATP v procese cyklickej fosforilácie.

Fotosystém II (P680)

absorbuje svetelné žiarenie s maximálnou vlnovou dĺžkou 680 nm.

Prijme svetelné žiarenie, prejde do excitovaného stavu a uvoľní elektróny, ktoré prechádzajú na fotosystém I, kde nahradia uvoľnené elektróny a okrem toho katalyzuje fotolýzu vody za uvoľnenia molekulového kyslíka .

Fotofyzická (cyklická fosforilácia = tvorba molekúl ATP)
Fotochemická (acyklická = cyklus sa neuzatvára)

Vodík H+ sa uvoľňuje pri neprestajnom štiepení H2O na ióny, ktoré sa uskutočňuje vďaka svetelnému žiareniu a chlorofylu. Tento proces sa nazýva fotolýza vody (2H20 → 2OH¯ + 2H+).
Hneď, ako sa H+ spotrebuje, štiepi sa ďalšia molekula H2O
Energia elektrónu, ktorý sa uvoľnil z chlorofylu sa využije na premenu vodíkového katiónu H+ na vodíkový radikál H˙, ktorý sa pripojí na NADP+ (NADP+ + 2H+ → NADPH + H+). NADPH + H+ sa využije v temnotnej fáze na redukciu O2.
NADP+ nikotínamidadeníndinukleotidfosfát funguje ako koenzým = nebielkovinová zložka enzýmu oxidoreduktáz – enzýmov, ktoré katalyzujú oxidačno-redukčné procesy. NADPH + H+ je jeho redukovaná forma.
Z hydroxidového iónu OH¯ sa odoberá elektrón a vráti sa späť do chlorofylu (ale je to už iný elektrón, ako ten, ktorý sa z chlorofylu uvoľnil na začiatku fotosyntézy, preto hovoríme o necyklickej fáze)
OH¯ sa pri odnímaní elektrónu mení na hydroxidový radikál (vysoko reaktívna látka), ktorá reaguje s ďalším radikálom a vzniká O2 (OH + OH → H2O + O = resyntéza vody, preto na pravej strane fotosyntézy je voda)
Výsledkom svetelnej fázy fotosyntézy je ATP, O2 a NADPH + H+
V svetelnej fáze sa svetelná energia premieňa na energiu chemických väzieb v podobe ATP a NADPH + H+, ktoré sa využijú ako zdroj energie pre tmavú fázu fotosyntézy.

B) TEMNOTNÁ FÁZA:

sekundárne procesy, ktoré nie sú priamo závislé od slnečnej energie, preto prebiehajú aj v tme
ich podstatou je premena látok t.j. – CO2 na glukózu
Podstata: fixácia a následná redukcia CO2 za využitia ATP a NADPH + H+ zo svetelnej fázy na glukózu.
Nevyhnutné látky pre jej priebeh: ATP, NADPH + H+, CO2, organický substrát, na ktorý sa viaže (fuxuje) CO2.
Prebieha mimo tylakoidov, v stróme chloroplastov.
CO2 sa môže redukovať dvoma spôsobmi:

(1) CALVINOV – BENSONOV cyklus

– Primárnym akceptorom oxidu uhličitého je molekula RuBP (ribulóza 1,5-bifosfát). Po naviazaní oxidu uhličitého na ňu vzniká nestabilný 6-uhlíkový medziprodukt, ktorý sa vzápätí rozpadne na dve molekuly 3-uhlíkovej kyseliny 3-fosfoglycerovej, preto sa rastliny s týmto mechanizmom fixácie nazývajú C3 rastliny.
– Je typický pre C3 rastliny. Nazývajú sa tak preto, lebo vznikajú 3-uhlíkové medziprodukty.

(2) HATCH – SLACKOV cyklus

– Je typický pre C4 rastliny (proso, cukrová trstina, kukurica = tvoria veľa sacharidov). Nazývajú sa tak preto, lebo vznikajú 4-uhlíkové medziprodukty.
– Tu sa molekula oxidu uhličitého viaže na substrát fosfoenolpyruvát, ktorý sa po fixácii mení na oxálacetát so štyrmi molekulami uhlíka.

(1) a (2) predstavujú cyklus reakcií, pri ktorých vznikajú 3, alebo 4-uhlíkaté medziprodukty, z ktorých sa syntetizujú cukry.

Chemosyntéza

je fylogeneticky najstarší spôsob tvorby organických látok.
Rozšírená hlavne pri mikroorganizmoch, ktoré nemajú asimilačné farbivá
Zdrojom uhlíka je oxid uhličitý
Na redukciu oxidu uhličitého na cukor používajú chemickú energiu, ktorú získavajú oxidáciou jednoduchých AL (sírovodíka, vodíka) alebo OL (metánu)
Napr.:
Nitrifikačné baktérie: žijú v pôde, kde sa rozkladom organických zvyškov R a Ž uvoľňuje amoniak. Nitrifikáciou, ktorej je schopný napr. Nitrobacter, alebo Nitrosomonas amoniak oxidujú na nitrity (dusitany) a tie na nitráty (dusičnany). Obohacujú tak pôdu o dusík, ktorý rastlina dokáže prijať koreňmi.
Denitrifikačné baktérie: napr. Bacillus denitrificans pôdu ochudobňuje o dusík, pretože rozkladajú nitráty a uvoľňujú voľný dusík do atmosféry.
Sírne baktérie: oxidujú sírovodík na kyselinu sírovú.
Vodíkové baktérie: oxidujú vodík na vodu