Fotosyntesprocess, organismer, typer, faktorer och funktioner



den fotosyntes Det är den biologiska processen där solljus omvandlas till kemisk energi och lagras i organiska molekyler. Det är en förbindelse mellan solenergi och livet på jorden.

Metaboliskt klassificeras växterna som autotrofa. Det betyder att de inte behöver konsumera mat för att överleva, att kunna skapa sig själva genom fotosyntes. Alla växter, alger och även vissa bakterier är fotosyntetiska organismer, som kännetecknas av den gröna färgen på vävnader eller strukturer.

Denna process sker i organeller som kallas kloroplaster: membranösa subcellulära fack som innehåller en serie proteiner och enzymer som möjliggör utveckling av komplexa reaktioner. Dessutom är det den fysiska platsen där klorofyll förvaras, det nödvändiga pigmentet för fotosyntes förekommer.

Banan som kol tar under fotosyntesen, som börjar med koldioxid och slutar i en sockermolekyl, är känd med beundransvärd detalj. Ruten har historiskt delats in i ljusfas och mörk fas, som är separerad i kloroplast.

Den lätta fasen sker i kloroplasten tylakoid membranet och involverar nedbrytning av vattenmolekylen i syre, protoner och elektroner. De senare överförs genom membranet för att skapa en reservoar av energi i form av ATP och NADPH, vilka används i nästa fas.

Den mörka fasen av fotosyntes sker i kloroplaststromen. Den består i omvandling av koldioxid (CO2) i kolhydrater, med hjälp av enzymerna i Calvin-Benson-cykeln.

Fotosyntes är en viktig väg för alla levande organismer på planeten, som tjänar som en källa till initial energi och syre. Hypotetiskt, om fotosyntes slutar fungera, skulle en händelse med massutrotning av alla "överlägsna" levande varelser ske om bara 25 år.

index

  • 1 Historiskt perspektiv
  • 2 Ekvation av fotosyntes
    • 2.1 Allmän ekvation
    • 2.2 Lysande och mörk fas
    • 2,3 ΔG ° av reaktionerna
  • 3 Var händer det??
  • 4 Process (faser)
    • 4.1 Lysfas
    • 4.2 Inblandade proteiner
    • 4.3 Bilderystem
    • 4.4 Cykliskt elektronflöde
    • 4,5 Andra pigment
    • 4,6 Mörk fas
    • 4,7 Calvin cykel
  • 5 fotosyntetiska organismer
  • 6 Typer av fotosyntes
    • 6.1 Syre och anoxigen fotosyntes
    • 6.2 Typer av C4- och CAM-metabolism
    • 6.3 Metabolism C4
    • 6.4 fotosyntes CAM
  • 7 Faktorer som är involverade i fotosyntes
  • 8 funktioner
  • 9 Evolution
    • 9.1 Första fotosyntetiska livsformer
    • 9.2 Syreutveckling i evolution
  • 10 referenser

Historiskt perspektiv

Tidigare ansågs det att växter fick sin mat tack vare humus närvarande i jorden, på ett sätt som är analogt med djurfoder. Dessa tankar kom från antika filosofer som empedokler och aristoteler. De antog att rötterna uppträdde som navelsträngar eller "munnar" som matade växten.

Denna vision förändrades progressivt tack vare det svåra arbetet med dussintals forskare mellan sjuttonhundratalet och nittonde århundradet, som avslöjade baserna för fotosyntes.

Observationer av fotosyntetiska processer började för 200 år sedan, när Joseph Priestley drog slutsatsen att fotosyntesen var det inverse fenomenet av cellulär andning. Denna forskare upptäckte att allt syre i atmosfären produceras av växter genom fotosyntes.

Därefter började starka bevis på behovet av vatten, koldioxid och solljus för att denna process ska ske effektivt.

I början av 1800-talet isolerades klorofyllmolekylen för första gången och det var möjligt att förstå hur fotosyntes leder till lagring av kemisk energi.

Genomförandet av banbrytande tillvägagångssätt, såsom gasbyte-stökiometri, lyckades identifiera stärkelse som en produkt av fotosyntes. Dessutom var fotosyntes ett av de första ämnena i biologi som studerades genom användning av stabila isotoper.

Ekvation av fotosyntes

Allmän ekvation

Kemiskt är fotosyntes en redoxreaktion där vissa arter oxiderar och släpper ut sina elektroner till andra arter som reduceras.

Den allmänna processen för fotosyntes kan sammanfattas i följande ekvation: H2O + lätt + CO2 → CH2O + O2. Där termen CH2ELLER (en sjätte av en glukosmolekyl) avser organiska föreningar som kallas sockerarter som växten kommer att använda senare, såsom sackaros eller stärkelse.

Lysande och mörk fas

Denna ekvation kan brytas ner i två mer specifika ekvationer för varje steg av fotosyntes: ljusfasen och den mörka fasen.

Ljusfasen representeras som: 2H2O + ljus → O2 + 4H+ + 4e-. På liknande sätt innefattar den mörka fasen följande förhållande: CO2 + 4H+ + 4e- → CH2O + H2O.

ΔG° av reaktionerna

Fri energi (ΔG°) för dessa reaktioner är: +479 kJ · mol-1, +317 kJ · mol-1 och +162 kJ · mol-1, respektive. Som föreslagits av termodynamiken, omvandlas det positiva tecknet på dessa värden till ett energibehov och kallas endergonisk process.

Var erhåller fotosyntetiska organismen denna energi så att reaktionerna uppträder? Från solljus.

Det är nödvändigt att nämna att, i motsats till fotosyntes, är aerob andning en exergonisk process - i detta fall är värdet av ΔG ° åtföljt av ett negativt tecken - där den frigjorda energin används av organismen. Därför är ekvationen: CH2O + O2 → CO2 + H2O.

Var sker det??

I de flesta växter är huvudorganet där processen sker, på bladet. I dessa vävnader finner vi små globösa strukturer, kallad stomata som kontrollerar ingången och utgången av gaser.

De celler som utgör grön vävnad kan ha upp till 100 kloroplaster inuti. Dessa fack är uppbyggda av två yttre membran och en vattenfas kallad stroma där ett tredje membransystem är beläget: thylakoid.

Process (faser)

Ljusfas

Fotosyntes börjar med att fånga ljus av det mest rikliga pigmentet på planeten jorden: klorofyll. Absorptionen av ljus resulterar i excitering av elektroner till ett högre energiläge - så att solen omvandlas till potentiell kemisk energi.

I tylakoid membranet, är fotosyntetiska pigment organiserade i fotocentros innehållande hundratals färgämnesmolekyler som verkar som en antenn som absorberar ljus och överför energi till klorofyllmolekylen, benämnt "reaktionscentrum".

Reaktionscentralen består av transmembranproteiner kopplade till en cytokrom. Det överför elektronerna till andra molekyler i en elektrontransportkedja genom en serie membranproteiner. Detta fenomen är kopplat till syntesen av ATP och NADPH.

Proteiner involverade

Proteinerna är organiserade i olika komplex. Två av dem är fotosystem I och II, som ansvarar för att absorbera ljuset och överföra det till reaktionscentret. Den tredje gruppen består av cytokromkomplexet bf.

Energin som produceras av protongradienten användes av det fjärde komplexet ATP-syntas som kopplar protonflödet med syntesen av ATP. Observera att en av de mest relevanta skillnaderna i andning är att energi inte bara blir ATP utan även NADPH.

photosystems

Photosystem I består av en klorofyllmolekyl med en absorptionshastighet på 700 nanometer, varför den kallas P700. På liknande sätt är absorptionstoppen för fotosystem II 680, förkortat P680.

Uppgiften med fotosystem I är produktionen av NADPH och den för fotosystemet II är syntesen av ATP. Den energi som används av fotosystemet II kommer från vattenmolekylens brott, frigör protoner och skapar en ny gradient genom membranet av thylakoid.

De elektroner som härrör från brottet överförs till en fettlöslig förening: plastokinon, som bär elektronerna från fotosystem II till cytokromkomplexet bf, genererar en ytterligare pumpning av protoner.

Från fotosystem II, elektroner passerar till plastocyanin och fotosystem I, som använder hög-energi elektroner för att minska NADP+ till NADPH. Elektronerna når äntligen ferrodoxinet och genererar NADPH.

Elektron-cykliskt flöde

Det finns en alternativ väg där syntesen av ATP inte involverar NADPH-syntes, generellt för att ge energi till metaboliska processer i behov. Därför beror på huruvida ATP eller NADPH genereras beror på cellens momentan behov.

Detta fenomen inbegriper syntesen av ATP genom fotosystemet I. Elektronerna överförs inte till NADP+, men till cytokromkomplexet bf, skapa en elektrongradient.

Plastocyanin returnerar elektronerna till fotosystem I, fullbordar transportcykeln och pumpar protonen till cytokromkomplexet bf.

Andra pigment

Klorofyll är inte det enda pigmentet som växterna har, det finns också så kallade "tillbehörspigment", inklusive karotenoider.

I ljusfasen av fotosyntes förekommer produktionen av element som är potentiellt skadliga för cellen, såsom "syre i singlet". Karotenoider är ansvariga för att förhindra bildning av förening eller förhindra vävnadsskada.

Dessa pigment är de som vi observerar på hösten, när bladen förlorar sin gröna färg och blir gula eller orange, eftersom plantorna försämrar klorofyllen för att få kväve.

Mörk fas

Målet för denna initiala processen är att använda solenergi för produktionen av NADPH (nikotinamid-adenin-dinukleotid-fosfat eller "reducerande förmåga") och ATP (adenosintrifosfat eller "energi valutan i den cell"). Dessa element kommer att användas i mörkfasen.

Innan vi beskriver de biokemiska stegen som är involverade i denna fas, är det nödvändigt att klargöra att, även om dess namn är "mörk fas", uppstår det inte nödvändigtvis i totalt mörker. Historiskt sett försökte man hänvisa till ljusets oberoende. Med andra ord kan fasen inträffa i närvaro eller frånvaro av ljus.

Men eftersom fasen beror på de reaktioner som förekommer i ljusfasen - vilket kräver ljus - är det korrekt att hänvisa till denna serie av steg som kolreaktioner.

Calvin cykel

I denna fas förekommer Calvin-cykeln eller tre kolvägen, en biokemisk väg beskriven 1940 av den amerikanska forskaren Melvin Calvin. Upptäckten av cykeln tilldelades Nobelpriset 1961.

I allmänhet beskrivs tre grundläggande steg i cykeln: karboxyleringen av acceptorn CO2, reduktionen av 3-fosfoglycerat och regenerering av CO-acceptorn2.

Cykeln börjar med inkorporering eller "fixering" av koldioxid. Minska kol för att erhålla kolhydrater, genom tillsats av elektroner, och använd NADPH som reducerande kraft.

I varje runda kräver cykeln inkorporering av en molekyl koldioxid, vilken reagerar med ribulosibifosfat, vilket alstrar två föreningar av tre kolatomer som kommer att reduceras och regenerera en ribulosemolekyl. Tre varv av cykeln resulterar i en molekyl glyceralhydfosfat.

För att generera ett sex-kolsocker, såsom glukos, behövs därför sex cykler.

Fotosyntetiska organismer

Fotosyntetiska förmågan hos organismer framträder i två av domänerna, som består av bakterier och eukaryoter. Baserat på detta bevis är individer som förstår arkeas domän saknade den biokemiska vägen.

Fotosyntetiska organismer uppträdde omkring 3,2 till 3,5 miljarder år sedan, som strukturerade stromatoliter som liknar en modern cyanobakterie.

Logiskt kan en fotosyntetisk organism inte erkännas som sådan i fossila poster. Man kan dock göra slutsatser med hänsyn till deras morfologi eller det geologiska sammanhanget.

I förhållande till bakterier verkar förmågan att ta solljus och omvandla det till socker i stor utsträckning i flera Phyla, även om det inte verkar vara ett tydligt utvecklingsmönster.

De mest primitiva fotosyntetiska cellerna finns i bakterier. Dessa har bakterioklorofyllpigmentet, och inte den kända klorofyllen av gröna växter.

Fotosyntetiska bakteriegrupper innefattar cyanobakterier, protobakterier, gröna svavelbakterier, fastämnen, filamentösa anoxiska fototrofer och acidobakterier.

När det gäller växterna har de alla kapacitet att genomföra fotosyntes. Det är faktiskt den mest utmärkande egenskapen hos denna grupp.

Typer av fotosyntes

Oxigenisk och anoxigenisk fotosyntes

Fotosyntes kan klassificeras på olika sätt. En första klassificering tar hänsyn till om kroppen använder vatten för minskning av koldioxid. Så vi har syreiska fotosyntetiska organismer, som inkluderar växter, alger och cyanobakterier.

Däremot kallas de som anoxigena fotosyntetiska organismer när kroppen inte använder vatten. Denna grupp innefattar de gröna och lila bakterierna, till exempel släktet Chlorobium och Chromatium, som använder svavel eller gasformigt väte för att minska koldioxid.

Dessa bakterier kan inte tillgripa fotosyntes i närvaro av syre, de behöver ett anaerobt medium. Därför leder fotosyntes inte till alstring av syre - därav namnet "anoxigen".

Typer av metabolism C4 och CAM

Fotosyntes kan också klassificeras enligt plantens fysiologiska anpassningar.

Reduktionen av CO sker i fotosyntetiska eukaryoter2 kommer från atmosfären till kolhydrater i Calvins cykel. Denna process börjar med enzymet rubisco (ribulos-1,5-bisfosfatkarboxylas / oxygenas) och den första stabila föreningen som bildas är 3-fosfoglycerinsyra, tre kol.

Under termisk stress, kallad hög strålning eller torka, kan rubisco-enzymet inte skilja mellan O2 och CO2. Detta fenomen minskar i synnerhet effektiviteten i fotosyntesen och kallas fotorespiration.

Av dessa skäl finns det växter med speciella fotosyntetiska metabolismer som gör det möjligt för dem att undvika nämnda besvär.

Metabolism C4

Typ C-ämnesomsättning4 Dess mål är att koncentrera koldioxid. Innan rubisco agerar, C växter4 utföra en första karboxylering av PEPC.

Observera att det finns en rumsskillnad mellan de två karboxylationerna. C-växterna4 De utmärks av att ha anatomi "kranz" eller corona, som bildas av mesofila celler och är fotosyntetiska, till skillnad från dessa celler vid normal fotosyntes eller C3.

I dessa celler sker den första karboxyleringen av PEPC, vilket ger oxaloacetat som produkt, vilket reduceras till malat. Detta diffunderar till podens cell, där en process av decarboxilering uppstår som genererar CO2. Koldioxid används i den andra karboxyleringen styrd av rubisco.

Photosynthesis CAM

CAM fotosyntes eller syra metabolism av crasuláceas är en anpassning av växter som lever i extremt torra klimat och är typiska för växter som ananas, orkidéer, nejlikor, bland andra.

Assimileringen av koldioxid i CAM-växter sker under natttimmarna, eftersom förlusten av vatten vid öppningen av stomatan blir mindre än dagen.

CO2 den kombineras med PEP, en reaktion katalyserad av PEPC, bildande äppelsyra. Denna produkt lagras i vacuoler som släpper ut innehållet på morgontimmarna, sedan dekarboxyleras och CO2 lyckas ansluta sig till Calvin-cykeln.

Faktorer som är involverade i fotosyntes

Bland de miljöfaktorer som är inblandade i effektiviteten av fotosyntesen framhävs: mängden närvarande CO2 och av ljus, temperatur, ackumulering av fotosyntetiska produkter, mängden syre och tillgången på vatten.

Växtfaktorer har också en grundläggande roll, såsom ålder och tillväxtstatus.

Koncentrationen av CO2 I miljön är det lågt (det överstiger inte 0,03% av volymen), därför har en minimal variation påtagliga konsekvenser vid fotosyntesen. Dessutom kan växter endast ha 70 eller 80% av den närvarande koldioxiden.

Om det inte finns några begränsningar från de andra variablerna som nämns, finner vi att fotosyntes beror på mängden CO2 tillgänglig.

På samma sätt är ljusintensiteten avgörande. I miljöer med låga intensiteter kommer andningsförloppet att överträffa fotosyntesen. Av denna anledning är fotosyntes mycket aktivare i timmar då solintensiteten är hög, såsom morgonens första timmar.

Vissa växter kan påverkas mer än andra. Fodergräs är till exempel inte särskilt känsliga för temperaturfaktorn.

funktioner

Fotosyntes är en vital process för alla organismer på planeten jorden. På detta sätt är ansvaret för att stödja alla former av liv, som är källa till syre och grunden för alla befintliga trofiska kedjor, eftersom det underlättar omvandlingen av solenergi till kemisk energi.

Med andra ord producerar fotosyntes det syre som vi andas - som nämnts ovan är detta element en biprodukt av processen - och den mat vi konsumerar dagligen. Nästan alla levande organismer använder organiska föreningar som härrör från fotosyntes som en energikälla.

Observera att aeroba organismer kan extrahera energi från organiska föreningar framställda genom fotosyntes endast i närvaro av syre - vilket också är en produkt av processen.

Faktum är att fotosyntes kan omvandla ett förvärrat antal (200 miljarder ton) koldioxid till organiska föreningar. När det gäller syre beräknas det att produktionen ligger i intervallet 140 miljarder ton.

Dessutom ger fotosyntes oss mest energi (cirka 87% av detta) som mänskligheten använder för att överleva, i form av fossila fotonyntetiska bränslen.

evolution

Första fotosyntetiska livsformer

I ljuset av utvecklingen verkar fotosyntes vara en mycket gammal process. Det finns en stor mängd bevis som lokaliserar uppkomsten av denna väg nära utseendet på de första formerna av livet.

När det gäller ursprunget i eukaryoter finns överväldigande bevis som föreslår endosymbios som en mer trovärdig förklaring till processen.

Således kan organismer som liknar cyanobakterier bli kloroplaster tack vare de endosymbiotiska relationerna med större prokaryoter. Därför föds det evolutionära ursprunget för fotosyntes i bakteriedomen och kan distribueras tack vare massiva och repetitiva händelser med horisontell genöverföring.

Syros roll i evolutionen

Det är ingen tvekan om att den energiska omvandlingen av ljus genom fotosyntes har gjutit jordens nuvarande miljö. Fotosyntes, sedd som en innovation, berikade syreatmosfären och revolutionerade livsformerens energetik.

När frisläppandet av O började2 av de första fotosyntetiska organismerna löstes det förmodligen i havets vatten tills de mättade det. Dessutom kan syre reagera med järn, utfällning i form av järnoxid, som för närvarande är en ovärderlig källa till mineraler.

Överskottet av syre utvecklas till atmosfären, för att slutligen koncentrera sig där. Denna massiva ökning av koncentrationen av O2 Det har viktiga konsekvenser: skador på biologiska strukturer och enzymer, som fördömer många grupper av prokaryoter.

Däremot presenterade andra grupper anpassningar för att leva i den nya syrerika miljön, gjuten av fotosyntetiska organismer, antagligen gamla cyanobakterier..

referenser

  1. Berg, J. M., Stryer, L., & Tymoczko, J. L. (2007). biokemi. Jag vände om.
  2. Blankenship, R. E. (2010). Tidig utveckling av fotosyntesen. Växtfysiologi, 154(2), 434-438.
  3. Campbell, A, N., & Reece, J. B. (2005). biologi. Ed. Panamericana Medical.
  4. Cooper, G. M., & Hausman, R.E. (2004). Cellen: Molekylär tillvägagångssätt. Medicinska naklada.
  5. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Inbjudan till biologi. Ed. Panamericana Medical.
  6. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. biologi. Ed. Panamericana Medical.
  7. Eaton-Rye, J.J., Tripathy, B.C., & Sharkey, T. D. (red.). (2011). Fotosyntes: plastidbiologi, energiomvandling och kolassimilering (Volym 34). Springer Science & Business Media.
  8. Hohmann-Marriott, M. F., & Blankenship, R. E. (2011). Utveckling av fotosyntes. Årlig granskning av växtbiologi, 62, 515-548.
  9. Koolman, J., & Röhm, K. H. (2005). Biokemi: text och atlas. Ed. Panamericana Medical.
  10. Palade, G.E., & Rosen, W.G. (1986). Cellbiologi: Grundläggande forskning och tillämpningar. Nationella akademier.
  11. Posada, J. O. S. (2005). Grundar för etablering av betesmarker och foderväxter. University of Antioquia.
  12. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Växtfysiologi. Universitat Jaume I.