background image

FOTOSYNTEZA

Fotosynteza - proces anaboliczny, w trakcie którego z prostych substancji nieorganicznych (H

2

O i 

CO

2

) z udziałem energii świetlnej powstają związki organiczne (C

6

H

12

O

- glukoza).

W formie sumarycznej przebieg fotosyntezy można zapisać jako:

6H

2

O + 6CO

2

 + energia świetlna + chlorofil -> C

6

H

12

O

6

 + 6O

2

Organizmy produkujące związki organiczne na drodze fotosyntezy to: wszystkie rośliny (nieliczne 
wyjątki to rośliny cudzożywne, saprofityczne i pasożytnicze), niektóre protisty, część bakterii.

Na proces fotosyntezy składają się dwa etapy: faza jasna nazywana także fazą świetlną i faza 
ciemnej
 określanej jako cykl Calvina-Bensona. Uczestniczy w nim kilkaset różnych związków 
chemicznych wśród których są barwniki asymilacyjne, enzymy, białkowe i niebiałkowe przenośniki 
elektronów i związki wysokoenergetyczne (ATP, NADPH).

FAZA JASNA
Pierwsza faza fotosyntezy polega na przekształceniu energii zawartej w świetle do energii wiązań 
chemicznych dwóch wysokoenergetycznych związków chemicznych: ATP i NADPH. Energia 
światła wykorzystywana jest do oderwania elektronu od cząsteczki wody (fotoliza wody) i 
przeniesienia go przez system przekaźników elektronów na utlenioną formę NADP. W transporcie 
elektronów biorą udział kompleksy białkowe: fotoukład I, fotoukład II, kompleks cytochromowy 
b6f, oraz ruchliwe przekaźniki elektronów.

Strona 1/5

background image

FOTOSYNTEZA

FOSFORYLACJA NIECYKLICZNA
Energia kwantów światła przekazana do centrum reakcji fotoukładu II powoduje wybicie elektronu. 
Elektron jest przekazywany przez system przekaźników do kompleksu cytochromowego b6f. W 
obrębie kompleksu cytochromowego b6f zachodzi cykl Q w wyniku którego dodatkowe protony 
przemieszczane są ze stromy chloroplastów do wnętrza tylakoidów. Odbiorcą elektronów jest 
fotoukład I, po uprzednim wybiciu elektronów z centrum reakcji. Wybicie elektronu z centrum 
reakcji fotoukładu I odbywa się poprzez wzbudzenie cząsteczki chlorofilu przy udziale światła. 
Elektron wybity z centrum reakcji fotoukładu I przekazywany jest na cząsteczkę NADP+, która 
staje się formą zredukowaną NADPH. W przekazaniu elektronu na cząsteczkę NADP+ bierze 
udział kilka przekaźników, między innymi cząsteczka witaminy K (filochinon) oraz ferredoksyna. 
Miejsce po elektronie oderwanym z centrum reakcji fotoukładu II zapełniane jest przez elektron 
oderwany z wody. Reakcja ta jest przeprowadzana przez kompleks rozkładający wodę. Po 
oderwaniu 4 elektronów następuje rozszczepienie 2 cząsteczek wody na 4 protony i cząsteczkę 
tlenu. W wyniku uwalniania protonów, z rozkładu wody, wewnątrz tylakoidu, pobierania protonów 
podczas redukcji NADP w stromie chloroplastu oraz transportu protonów w cyklu Q, ze stromy do 
wnętrza tylakoidu, powstaje gradient protonowy - różnica stężeń protonów zewnątrz i wewnątrz 
tylakoidu. Gradient protonowy jest wykorzystywany przez kompleks syntazy ATP do wytwarzania 
drugiego produktu fazy jasnej - ATP. Opisany szlak wędrówki elektronów z cząsteczki wody na 
cząsteczkę NADP określa się jako fosforylację niecykliczną..
Podsumowując produktami fazy jasnej są: NADPH i ATP.

FOSFORYLACJA CYKLICZNA
W okresie zwiększonego zapotrzebowania na ATP elektron z ferredoksyny (FRN) może zostać 
przeniesiony nie na NADP lecz na kompleks cytochromowy b6f i następnie powrócić do centrum 
reakcji fotoukładu II. Takiemu cyklicznemu transportowi elektronów towarzyszy przenoszenie 
protonów przez błonę tylakoidu, wytwarzanie gradientu stężeń protonów i synteza ATP, nie 
powstaje jednak NADPH. Opisany szlak wędrówki elektronu nosi nazwę fosforylacji cyklicznej.

FAZA CIEMNA
Energia zgromadzona w ATP i NADPH wykorzystywana jest do związania CO

2

 i wytworzenia 

prostych cukrów. Związki będące produktami fazy ciemnej fotosyntezy zostały szczegółowo 
poznane dzięki badaniom Melvina Calvina i Andrew Bensona, za co w 1961 roku Melvin Calvin 
otrzymał nagrodę Nobla. Badania te wykazały, że izotop węgla C14 podawany organizmom 
fotosytetyzującym pojawia się najpierw w związku trójwęglowym - kwasie 3-fosfoglicerynowym. 
Z tego powodu rośliny, u którym pierwszym produktem asymilacji CO

2

 jest związek trójwęglowy 

określa się jako rośliny typu C3.

Faza karboksylacji

Rozpoczyna się od przyłączenia cząsteczki CO2 do 1,5-bisfosforybulozy (RuBP). Reakcja ta 
katalizowana jest przez enzym o nazwie karboksylaza/oksygenaza 1,5-bisfosforybulozy, często 
określanym jako enzym RuBisCO (ang. ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase) lub 
karboksydysmutaza. W wyniku przyłączenia CO2 powstaje nietrwały produkt przejściowy 1,5-
bisfosfo-2-karboksy-3-ketoarabinitol, który szybko ulega rozpadowi na dwie cząsteczki kwasu 3-
fosfoglicerynowego (PGA).

Faza redukcji

Kwas 3-fosfoglicerynowy jest fosforylowany ze zużyciem ATP powstającego w fazie jasnej do 
kwasu 1,3-bisfosfoglicerynowego. Drugi wysokoenergetyczny produkt fazy jasnej (NADPH) jest z 
kolei zużywany w reakcji redukcji kwasu 1,3-bisfosfoglicerynowego do aldehydu 
3- fosfoglicerynowego.

Strona 2/5

background image

FOTOSYNTEZA

Faza regeneracji

W tej fazie z aldehydu 3-fosfoglicerynowego i jego izomeru fosfodihydroksyacetonu odtwarzana 
jest w wyniku wielu reakcji chemicznych 1,5-bisfosforybuloza. Część aldehydu 3-
fosfoglicerynowego, która nie jest potrzebna do odtwarzania akceptora CO2 jest przekształcana w 
glukozę a w dalszych etapach w skrobię (synteza).

W wyniku cyklu Calvina-Bensona zużywane są wytworzone w fazie jasnej ATP i NADPH, a ich 
energia przekazywana magazynowana jest w postaci wiązań wytwarzanych w cyklu cukrów.

Po związaniu 6 cząsteczek CO2 z cyklu może zostać wyprowadzona 1 cząsteczka heksozy.
Reakcje te zachodzą w stromie chloroplastów i są określane jako cykl Calvina-Bensona. Jest to tzw. 
faza bezpośrednio niezależna od światła fotosyntezy. Należy jednak podkreślić, że światło 
stymuluje również niektóre enzymy cyklu Calvina-Bensona poprzez utrzymywanie w stanie 
zredukowanym ich grup sylfhydrylowych.

Strona 3/5

background image

FOTOSYNTEZA

FOTOSYNTEZA C4

Fotosynteza C4 to proces wiązania dwutlenku węgla u roślin określanych nazwą rośliny C4. 
Rośliny te wykształciły mechanizmy anatomiczne i fizjologiczne pozwalające na zwiększenie 
stężenia CO2 w komórkach, w których zachodzi cykl Calvina-Bensona.

Przystosowania anatomiczne polegają na zróżnicowaniu komórek zaangażowanych w wiązanie 
CO2 na komórki mezofilowe oraz komórki pochew okołowiązkowych. Komórki pochew 
okołowiązkowych posiadają grubą ścianę komórkową, zwykle wysyconą suberyną, dzięki czemu 
ściana komórkowa jest w bardzo małym stopniu przepuszczalna dla gazów. Proces wiązania CO2 
przebiega w komórkach mezofilu, gdzie dwutlenek węgla przyłączany jest do 
fosfoenolopirogronianu. W reakcji tej powstaje związek czterowęglowy – kwas szczawiooctowy. 
Jest on w zależności od gatunku rośliny przekształcany do asparaginianu lub jabłczanu i w tej 
postaci przenoszony do komórek pochew okołowiązkowych. Tam zachodzi reakcja dekarboksylacji 
i wydzielenie CO2, która jest włączany do cyklu Calvina-Bensona. Cykl ten zachodzi tylko w 
komórkach pochew okołowiązkowych, gdzie stężenie CO2 przekracza 10-20 razy stężenie CO2 w 
komórkach mezofilu. Fotosynteza C4 jest zatem sposobem zagęszczania CO2 w tych komórkach, 
gdzie zachodzi cykl Calvina-Bensona (w mezofilu). Proces fotosyntezy u roślin C4 przebiega 
wydajniej, jednak nakład energetyczny na związanie jednej cząsteczki CO2 jest większy niż u roślin 
C3.

Strona 4/5

background image

FOTOSYNTEZA

FOTOSYNTEZA C3-C4
Ten typ fotosyntezy zachodzi u roślin, u których pierwszym produktem asymilacji CO2 jest 
związek czterowęglowy, lecz reakcje cyklu Calvina-Bensona zachodzą zarówno w komórkach 
mezofilu, jak i komórkach pochew okołowiązkowych.

FOTOSYNTEZA CAM - szczególny typ fotosyntezy zachodzącej u roślin określanych jako 
rośliny CAM (ang. crassulacean acid metabolism). Do grupy tej należą rośliny, które ze względu na 
klimat muszą prowadzić szczególnie oszczędną gospodarkę wodną, m.in. gruboszowate.

Fotosynteza roślin CAM zapewnia im możliwość zmagazynowania CO2 w nocy, kiedy aparaty 
szparkowe pozostają otwarte i możliwa jest swobodna dyfuzja dwutlenku węgla do tkanek 
asymilujących. W dzień aparaty szparkowe zamykają się, aby uchronić roślinę przez utratą wody.
Przebieg fotosyntezy CAM:

Noc
W nocy do fosfoenolopirogronianu (PEP) przyłączany jest CO2. W reakcji tej powstaje 
szczawiooctan, który następnie redukowany jest do jabłczanu i w tej postaci CO2 niezbędny do 
przeprowadzania fotosyntezy transportowany jest do wakuoli i magazynowany.

Dzień
W dzień jabłczan z wakuoli transportowany jest do cytozolu, gdzie zachodzi reakcja 
dekarboksylacji przeprowadzana przez enzym jabłczanowy. Wydzielony CO2 pokrywa 
zapotrzebowanie cyklu Calvina-Bensona w okresie kiedy intensywnie zachodzi faza jasna 
fotosyntezy, a pobieranie CO2 jest ograniczone w wyniku zamknięcia aparatów szparkowych.

Budowa chloroplastu:

Strona 5/5