Ποια είναι τα Βήματα της Φωτοσύνθεσης;

Υπάρχουν δύο διαφορετικά βήματα ή μέρη της φωτοσύνθεσης . Αυτά τα δύο μέρη της φωτοσύνθεσης είναι οι εξαρτώμενες από το φως αντιδράσεις και οι ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις. Οι ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις αναφέρονται επίσης ως κύκλος Calvin. Στις αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως, μόρια-φορείς ηλεκτρονίων όπως το NADPH και το ATP σχηματίζονται από τη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε χημική ενέργεια, αφού το φως του ήλιου απορροφηθεί από τη χλωροφύλλη. Στις ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις, η χημική ενέργεια που λαμβάνεται μέσω των αντιδράσεων που εξαρτώνται από το φως χρησιμοποιείται για τη συναρμολόγηση μορίων υδατανθράκων. Τα δύο συστήματα που χρησιμοποιούνται για την πραγματοποίηση της φωτοσύνθεσης αναφέρονται ως φωτοσυστήματα.

Για να κατανοήσετε πώς λειτουργούν αυτά τα φωτοσυστήματα/φωτοσυνθετική διαδικασία, θα είναι χρήσιμο να εξεταστούν τα αντιδρώντα της φωτοσυνθετικής διαδικασίας και να διερευνηθεί πώς αυτά τα αντιδρώντα χειρίζονται από τα φωτοσυστήματα.

Αντιδρώντα Φωτοσύνθεσης

Τα αντιδρώντα της φωτοσύνθεσης είναι το νερό, το ηλιακό φως και το διοξείδιο του άνθρακα. Τα φυτικά κύτταρα προσλαμβάνουν νερό, ηλιακό φως και διοξείδιο του άνθρακα για να δημιουργήσουν ενέργεια. Τα αντιδρώντα είναι οι είσοδοι της διαδικασίας φωτοσύνθεσης και οι έξοδοι ή τα προϊόντα της φωτοσύνθεσης είναι η γλυκόζη και το οξυγόνο. Η χημική εξίσωση για τη φωτοσύνθεση μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Μπορείτε να ερμηνεύσετε αυτήν την εξίσωση ότι σημαίνει ότι διοξείδιο του άνθρακα (ή CO2) και H2O (ή νερό) χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία C6H1206 (ή ζάχαρης) και O2 (ή οξυγόνου). Το διοξείδιο του άνθρακα εκπέμπεται από πολλούς διαφορετικούς οργανισμούς κατά τη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής ή της ζύμωσης. Τα φυτά απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα μέσω των πραγμάτων που ονομάζονται στομία, μικροσκοπικές τρύπες που υπάρχουν μέσα στα φύλλα του φυτού. Μόλις τα κύτταρα του φυτού απορροφήσουν το διοξείδιο του άνθρακα, οι χλωροπλάστες μέσα στο κύτταρο το χρησιμοποιούν για να ενεργοποιήσουν τη φωτοσύνθεση και να δημιουργήσουν υδατάνθρακες.

Το οξυγόνο χρησιμοποιείται από τα σπονδυλωτά για να αναπνέουν και να οδηγούν τις κυτταρικές τους διεργασίες, ενώ το C6H1206 μπορεί στην πραγματικότητα να αναφέρεται σε πολλά διαφορετικά μόρια, ανάλογα με τη διάταξη των ατόμων μέσα στο μόριο. Ωστόσο, τα περισσότερα από τα μόρια που έχουν τη συγκεκριμένη φόρμουλα είναι ένα είδος σακχάρου, με το πιο κοινό είδος σακχάρου αυτού του τύπου να είναι η γλυκόζη. Αυτά τα κύτταρα των ζώων χρησιμοποιούν γλυκόζη για να παράγουν ATP, την ενέργεια που χρειάζονται.

Χλωροπλάστες, χρωστικές και φωτοσύνθεση

Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία που υφίστανται τα φυτά για να αντλήσουν ενέργεια από το ηλιακό φως, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα. Τα φύκια, τα φυτά και ένας τύπος βακτηρίων γνωστά ως κυανοβακτήρια είναι οι μόνοι οργανισμοί που μπορούν να πραγματοποιήσουν φωτοσύνθεση. Αυτοί οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί αναφέρονται ως «φωτοαυτοτροφικοί», γεγονός που τους διακρίνει από μια διαφορετική ομάδα βακτηρίων που είναι ικανή να εξάγει ενέργεια από ανόργανες ενώσεις – τα χημειοαυτοτροφικά. Τα χημειοαυτοτροφικά αντλούν την ενέργειά τους από τη σύνθεση σακχάρων και όχι από την ενέργεια του ήλιου.

Τα πραγματικά οργανίδια στο κύτταρο που πραγματοποιούν τη φωτοσύνθεση είναι χλωροπλάστες. Οι χλωροπλάστες είναι γεμάτοι με μια χρωστική ουσία που ονομάζεται χλωροφύλλη. Αυτή η χρωστική ουσία απορροφά ορισμένες περιοχές του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ορισμένα μήκη κύματος φωτός. Αυτή η χρωστική είναι επίσης που έχει ως αποτέλεσμα τα φύκια και τα φυτά να έχουν το πράσινο χρώμα τους. Η φωτοσύνθεση στα φυτά συνήθως συμβαίνει στα φύλλα του κυττάρου και το φύλλο του φυτού αποτελείται από διαφορετικά στρώματα κυττάρων. Το μεσαίο στρώμα του φύλλου αν ονομάζεται μεσόφυλλο και εδώ λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση. Εν τω μεταξύ, η ανταλλαγή αερίων (η ανταλλαγή οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα) πραγματοποιείται μέσω μικρών ανοιγμάτων στο φύλλο που ονομάζονται στομάτια. Αυτά τα στόμια βρίσκονται συνήθως στην κάτω πλευρά του φύλλου.

Οι χλωροπλάστες είναι το οργανίδιο που κάνει χρησιμοποιήσιμη ενέργεια από φωτεινή ενέργεια. Το φως που απορροφάται από τους χλωροπλάστες θα αποθηκευτεί σε οργανικά μόρια όπως η ζάχαρη, τα οποία το κύτταρο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει για ενέργεια. Η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε ATP (ή τριφωσφορική αδενοσίνη. Εκτός από τη χλωροφύλλη, τα καροτενοειδή είναι ένας άλλος τύπος χρωστικής ουσίας που μπορεί να σχηματίσει φωσφορικό δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης (ή NADPH). Αυτό το NADPH είναι ένα μόριο μεταφοράς ηλεκτρονίων. Κατά τη διάρκεια του κύκλου Calvin, τα ηλεκτρόνια που μεταφέρεται από το NADPH θα χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία υδατανθράκων και αυτός ο μετασχηματισμός είναι γνωστός ως καθήλωση CO2.

Οι χλωροφύλλες έχουν δύο μεμβράνες, όπως και τα μιτοχόνδρια. Η εσωτερική μεμβράνη του χλωροπλάστη ονομάζεται στομία και μέσα σε αυτήν υπάρχουν στοίβες δομών που ονομάζονται θυλακοειδή. Τα θυλακοειδή είναι οι δομές που έχουν τις χλωροφύλλες μέσα τους και είναι διατεταγμένες το ένα πάνω στο άλλο σε μια συστάδα που ονομάζεται κοκκίο. Υπάρχουν διάφοροι τύποι θυλακοειδών, όπως τα κοκκώδη θυλακοειδή και τα θυλακοειδή στρώματος. Μέσα στον χλωροπλάστη υπάρχει επίσης μια ακανόνιστου σχήματος περιοχή γενετικού υλικού που ονομάζεται νουκλεοειδές, το οποίο μπορεί να βρεθεί στα περισσότερα προκαρυωτικά κύτταρα. Μέσα στους χλωροπλάστες, τα νουκλεοειδή είναι διατεταγμένα σε σχήματα δακτυλίου. Το εσωτερικό του χλωροπλάστη περιέχει επίσης πλαστοσφαιρίδια, λιπιδικά σώματα που σχετίζονται με τη βιοσύνθεση των τοκοφερολών. Υπάρχουν επίσης κόκκοι αμύλου στον χλωροπλάστες, ημι-κρυσταλλικοί κόκκοι κατασκευασμένοι από διαφορετικά πολυμερή γλυκόζης και χρησιμεύουν για την αποθήκευση άνθρακα στα φυτά.

Το στρώμα είναι μια περιοχή του χλωροπλάστη που δημιουργεί μηχανικούς υδατάνθρακες και περιέχει ριβοσώματα και κομμάτια DNA μέσα σε αυτό. Το γεγονός ότι αυτά τα στρώματα έχουν ριβοσώματα και DNA είναι ένας από τους λόγους που θεωρείται ότι οι χλωροπλάστες είναι το αποτέλεσμα μιας μακράς διαδικασίας εξέλιξης που είχε ελεύθερα βακτήρια να εξελιχθούν σε χλωροπλάστες μέσω μιας συμβιωτικής σχέσης με άλλα κύτταρα. Θεωρείται ότι οι πρόδρομοι χλωροπλάστες ήταν κυανοβακτήρια που ζούσαν μέσα στα κύτταρα, παράγοντας ενέργεια σε αντάλλαγμα για ένα ασφαλές περιβάλλον για να ζήσουν. Οι χλωροπλάστες δεν έχουν απλώς το δικό τους DNA, αλλά αναπαράγονται επίσης μέσω δυαδικής σχάσης, όπως ακριβώς αναπαράγονται τα βακτήρια.

Άλλα είδη πλαστικών

Διαφορετικές χρωστικές μπορούν να απορροφήσουν διαφορετικά μήκη κύματος φωτός, που σημαίνει ότι τα φυτά με άλλα πλαστίδια ή χρωστικές μπορούν να απορροφήσουν διαφορετικά μέρη του φάσματος φωτός. Το χρώμα ενός φυτού εξαρτάται από τη χρωστική ουσία που χρησιμοποιεί. Ακόμη και τα περισσότερα φυτά είναι πράσινα, υπάρχουν άλλες χρωστικές ουσίες όπως οι φυκοβιλίνες και τα καροτενοειδή που μπορούν να δώσουν στα φυτά διαφορετικά χρώματα, οι φυκοβιλίνες είναι είτε κόκκινες είτε μπλε και είναι ικανές να απορροφούν τα μπλε, πορτοκαλί και κόκκινα μέρη του φάσματος φωτός. Αντίθετα, τα καροτενοειδή είναι κίτρινα, κόκκινα ή πορτοκαλί και απορροφούν φως στα πράσινα ή μπλε μήκη κύματος του φάσματος.

Τα δύο φωτοσυστήματα

Όπως υπονοείται από τα ονόματά τους, οι αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως χρειάζονται ηλιακό φως για να λειτουργήσουν, ενώ οι ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις δεν χρειάζονται ηλιακό φως. Στο φωτοεξαρτώμενο φωτοσύστημα, η χλωροφύλλη απορροφά το φως του ήλιου και το μετατρέπει σε χημική ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιήσει το κύτταρο αποθηκεύοντάς το με τη μορφή του μορίου ATP ή του μορίου ηλεκτρονίου και ενός DPH. Αυτές οι εξαρτώμενες από το φως αντιδράσεις συμβαίνουν εντός του χλωροπλάστου, στις δομές που ονομάζονται θυλακοειδή.

Η διαδικασία που είναι υπεύθυνη για τη μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε χημική ενέργεια συμβαίνει σε ένα φωτοσύστημα, ένα σύμπλεγμα που αποτελείται από πολλαπλές πρωτεΐνες. Μέσα στη μεμβράνη του θυλακοειδούς, υπάρχουν δύο τύποι φωτοσυστημάτων:Φωτοσύστημα II και Φωτοσύστημα Ι. Καθένα από αυτά τα φωτοσυστήματα απορροφά την ενέργεια που απελευθερώνεται από τα διεγερμένα ηλεκτρόνια, την ενέργεια που προέρχεται από το ηλιακό φως. Τα μόρια φορέα ενέργειας μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια σε άλλα μέρη του κυττάρου, όπου τα ηλεκτρόνια θα χρησιμοποιηθούν για την τροφοδοσία του ανεξάρτητου από το φως συστήματος.

Η σχέση μεταξύ της φωτοσύνθεσης και της κυτταρικής αναπνοής

Ας ρίξουμε μια ματιά στην εξίσωση για τη φωτοσύνθεση:6CO2 + 6H2O → C6H12O6+ 6O2

Εν τω μεταξύ, εδώ είναι η εξίσωση για την κυτταρική αναπνοή:C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

Όπως μπορείτε να δείτε, οι δύο αντιδράσεις είναι το αντίστροφο η μία της άλλης. Ενώ η φωτοσύνθεση παίρνει νερό και διοξείδιο του άνθρακα και απελευθερώνει οξυγόνο και γλυκόζη, η κυτταρική αναπνοή κάνει το αντίθετο. Η κυτταρική αναπνοή απελευθερώνει νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Τα ζωικά κύτταρα χρησιμοποιούν υδρογόνο και οξυγόνο, έτσι σχηματίζουν νερό ως υποπροϊόν. Εν τω μεταξύ, όταν το ATP συντίθεται από τη γλυκόζη, μετατρέπεται σε διοξείδιο του άνθρακα. Η σχέση μεταξύ της κυτταρικής αναπνοής και της φωτοσύνθεσης αποτελεί τον «κύκλο του άνθρακα», ένα σύστημα που επιτρέπει στα μόρια άνθρακα να κυκλοφορούν μέσω της βιόσφαιρας, μετακινώντας από τα φυτά στα ζώα και πάλι πίσω. Τα φυτά λαμβάνουν διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, το οποίο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα από την κυτταρική αναπνοή των ζώων.

Οι διαφορές μεταξύ φυτών και ζωικών κυττάρων

Τόσο τα ζωικά όσο και τα φυτικά κύτταρα έχουν οργανίδια που χειρίζονται συλλογικά την παραγωγή ενέργειας. Τα ζωικά κύτταρα έχουν μιτοχόνδρια μέσα τους και αυτά τα μιτοχόνδρια χρησιμοποιούν οξυγόνο και γλυκόζη για να δημιουργήσουν ενέργεια, νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Αντίθετα, τα φυτά έχουν χλωροπλάστες. Θα πρέπει να γνωρίζετε ότι τα φυτικά κύτταρα διαθέτουν μιτοχόνδρια εκτός από χλωροπλάστες, αλλά τα κύτταρα των ζώων δεν έχουν χλωροπλάστες. Τα μιτοχόνδρια που έχουν τα φυτικά κύτταρα λειτουργούν κάπως διαφορετικά από τα μιτοχόνδρια των ζωικών κυττάρων. Στα ζωικά κύτταρα, τα μιτοχόνδρια εκπληρώνουν δύο ρόλους - την παραγωγή ενέργειας και την αερόβια αναπνοή. Εν τω μεταξύ, τα φυτικά κύτταρα έχουν μιτοχόνδρια που εκτελούν μόνο την αναπνοή. Όπως μπορούμε να δούμε, τα ζωικά κύτταρα και τα φυτικά κύτταρα υπάρχουν σε ένα σύστημα λεπτής ισορροπίας, όπου τα προϊόντα ενός συστήματος είναι οι εισροές του άλλου συστήματος. Ούτε ζωικά κύτταρα ούτε φυτικά κύτταρα θα μπορούσαν να υπάρχουν χωρίς τον άλλο τύπο κυττάρου που να το υποστηρίζει.