Διάγραμμα φωτοσύνθεσης:Από την αρχή μέχρι το τέλος

Φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία που επιτρέπει στα φυτά να συλλέγουν ενέργεια από τον ήλιο και να τη μετατρέπουν σε ενέργεια που μπορούν να χρησιμοποιήσουν. Πώς ακριβώς λειτουργεί η διαδικασία της φωτοσύνθεσης; Η δημιουργία ενός μοντέλου ενός κυττάρου ή η εξέταση ενός διαγράμματος μπορεί να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Το παραπάνω διάγραμμα θα σας δώσει μια γρήγορη διαίσθηση σχετικά με τη διαδικασία, επιτρέποντάς σας να δείτε τα κύρια συστατικά της. Ωστόσο, για να κατανοήσουμε πλήρως τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, θα θέλαμε να εξετάσουμε τη διαδικασία με περισσότερες λεπτομέρειες και να εξετάσουμε πώς λειτουργεί κάθε ένα από τα εξαρτήματα.

Αντιδρώντα Φωτοσύνθεσης

Ας ξεκινήσουμε ρίχνοντας μια ματιά στα αντιδρώντα της φωτοσύνθεσης. Τα απαραίτητα συστατικά ή συστατικά για τη φωτοσύνθεση περιλαμβάνουν φωτεινή ενέργεια, οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αυτά αναφέρονται ως η φωτοσύνθεση των αντιδρώντων. Τα κύτταρα του φυτού θα προσλάβουν διοξείδιο του άνθρακα, νερό και ηλιακό φως και θα το μετατρέψουν σε χρησιμοποιήσιμη ενέργεια μέσω της φωτοσύνθεσης. Δεδομένου ότι το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό είναι τα απαραίτητα συστατικά για τη δημιουργία γλυκόζης ή ζάχαρης, η χημική εξίσωση για τη φωτοσύνθεση μπορεί να αναπαρασταθεί με αυτή τη μορφή:

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Στη φυσική γλώσσα, αυτό σημαίνει ότι το νερό/H2O και το διοξείδιο του άνθρακα/CO2 μετατρέπονται σε οξυγόνο ή O2 και γλυκόζη ή C6H1206. Το διοξείδιο του άνθρακα που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία γλυκόζης προέρχεται από ετερότροφους οργανισμούς, οργανισμούς που δεν μπορούν να παράγουν τη δική τους ενέργεια σε αντίθεση με τα φυτά. Οι ετερότροφοι οργανισμοί εκπέμπουν διοξείδιο του άνθρακα κατά τη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής ή άλλης διαδικασίας γνωστής ως ζύμωσης. Τα φυτά τραβούν το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα μέσω των δομών που ονομάζονται στομία, οι οποίες είναι μικρές τρύπες που βρίσκονται μέσα στα φύλλα του φυτού. Οι χλωροπλάστες που βρίσκονται μέσα στο φυτικό κύτταρο θα χρησιμοποιήσουν στη συνέχεια το διοξείδιο του άνθρακα για να δημιουργήσουν υδατάνθρακες.

Το νερό, όπως γνωρίζετε, βρίσκεται άφθονο στη Γη και διαφορετικά φυτά έχουν διαφορετικές μεθόδους απορρόφησης του νερού. Πολλά φυτά απορροφούν νερό μέσω των ριζών τους, αλλά μπορούν επίσης να το απορροφήσουν μέσω των φύλλων και άλλων δομών.

Το νερό είναι επίσης ένα υποπροϊόν της κυτταρικής αναπνοής, όπως το διοξείδιο του άνθρακα. Στην πραγματικότητα, η εξίσωση για την κυτταρική αναπνοή μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

Ίσως έχετε παρατηρήσει ότι τα προϊόντα της κυτταρικής αναπνοής και τα προϊόντα της φωτοσύνθεσης είναι το αντίστροφο του άλλου. Έτσι, ενώ η κυτταρική αναπνοή παίρνει γλυκόζη και οξυγόνο και απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα και νερό, η φωτοσύνθεση πραγματοποιεί τον αντίθετο μετασχηματισμό. Τα ζωικά κύτταρα χρησιμοποιούν το οξυγόνο και το υδρογόνο που βρίσκεται στη γλυκόζη και σχηματίζουν νερό ως υποπροϊόν.

Το ATP δημιουργείται στα ζωικά κύτταρα με τη μετατροπή της γλυκόζης σε διοξείδιο του άνθρακα. Το γεγονός ότι η φωτοσύνθεση και η κυτταρική αναπνοή αντιπροσωπεύουν αντίθετες αντιδράσεις σημαίνει ότι και οι δύο αποτελούν μέρος του κύκλου που αναφέρεται ως Κύκλος του Άνθρακα, ο οποίος είναι το σύστημα που επιτρέπει στον άνθρακα να μετακινηθεί από τα ζώα στην ατμόσφαιρα στα φυτά και να επιστρέψει ξανά.

Το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα είναι απλώς τα συστατικά απαραίτητα για τη φωτοσύνθεση, αλλά για να μετατραπούν αυτά τα συστατικά σε γλυκόζη, το φυτό χρειάζεται κάτι άλλο. Χρειάζεται έναν ενεργειακό καταλύτη, ο οποίος λαμβάνεται απορροφώντας την ενέργεια που ακτινοβολεί από τον ήλιο, απορροφώντας το ηλιακό φως. Οι δομές μέσα στα φυτικά κύτταρα που απορροφούν την ενέργεια φωτός ονομάζονται χρωστικές.

Χρωστικές ουσίες και φωτοσύνθεση

Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης διαχειρίζεται συγκεκριμένα οργανίδια μέσα στο κύτταρο. Τα οργανίδια που είναι κυρίως υπεύθυνα για τη φωτοσύνθεση ονομάζονται χλωροπλάστες και είναι γεμάτα με χλωροφύλλη, ένα είδος χρωστικής. Οι χρωστικές απορροφούν ορισμένα μήκη κύματος φωτός ή τμήματα του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Επειδή διαφορετικές χρωστικές απορροφούν διαφορετικά μέρη του φάσματος φωτός, διαφορετικές χρωστικές θα έχουν διαφορετικά χρώματα. Η χλωροφύλλη είναι η χρωστική ουσία που είναι υπεύθυνη για να δώσει σε πολλά φυτά τον πράσινο χρώμα τους. Η φωτοσυνθετική διαδικασία συμβαίνει μέσα στο μεσαίο στρώμα του φύλλου, μια περιοχή που αναφέρεται ως μεσόφυλλο. Τα φύλλα των φυτών αποτελούνται από πολλά διαφορετικά στρώματα στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο, αλλά τα εξωτερικά στρώματα περιέχουν τα στομάχια που είναι υπεύθυνα για την ανταλλαγή αερίων, για την ανταλλαγή διοξειδίου του άνθρακα και οξυγόνου. Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης τελειώνει με την απελευθέρωση οξυγόνου στην ατμόσφαιρα.

Η χλωροφύλλη περιέχεται στον χλωροπλάστε, το πραγματικό οργανίδιο που είναι υπεύθυνο για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα και του νερού σε ζάχαρη. Η φωτεινή ενέργεια χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ATP ή τριφωσφορικής αδενοσίνης, μια μορφή ενέργειας που χρησιμοποιείται από τα κύτταρα του φυτού. Η χλωροφύλλη δεν είναι η μόνη χρωστική που μπορεί να πραγματοποιήσει φωτοσύνθεση, καθώς τα καροτενοειδή είναι ένα άλλο είδος χρωστικής που μπορεί να δημιουργήσει φωσφορικό δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης (NADPH), το οποίο χρησιμεύει για τη μεταφορά ηλεκτρονίων σε όλο το κύτταρο. Τα ηλεκτρόνια που φέρει μαζί του το NADPH θα χρησιμοποιηθούν τελικά για να σχηματίσουν υδατάνθρακες κατά τη διάρκεια του Κύκλου Calvin. Η διαδικασία που δημιουργεί υδατάνθρακες με τη χρήση ηλεκτρονίων ονομάζεται καθήλωση CO2.

Ίσως γνωρίζετε ότι τα μιτοχόνδρια μέσα στα κύτταρα έχουν δύο μεμβράνες, και αυτό ισχύει και για τους χλωροπλάστες. Η εσωτερική μεμβράνη του χλωροπλάστη είναι γεμάτη από κυλινδρικές δομές που ονομάζονται θυλακοειδή και αυτή η περιοχή ονομάζεται στομία. Τα θυλακοειδή είναι αυτά που στην πραγματικότητα περιέχουν τις χλωροφύλλες και πολλά θυλακοειδή στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο, σχηματίζοντας μια δομή που αναφέρεται ως κοκκώδες. Τα θυλακοειδή μπορούν να χωριστούν σε διαφορετικές κατηγορίες όπως τα θυλακοειδή στρώματος και τα κοκκώδη θυλακοειδή. Μέσα στους χλωροπλάστες του κυττάρου βρίσκονται νουκλεοειδείς, δακτυλιοειδείς περιοχές γενετικού υλικού. Τα νουκλεοειδή βρίσκονται στα περισσότερα προκαρυωτικά κύτταρα. Το εσωτερικό του χλωροπλάστη φιλοξενεί επίσης πλαστοσφαιρίδια, μικρές λιπιδικές δομές που είναι υπεύθυνες για τη σύνθεση των τοκοφερολών. Τέλος, ο χλωροπλάστης περιέχει κόκκους αμύλου, ημι-κρυσταλλικές δομές που αποτελούνται από διάφορα πολυμερή γλυκόζης. Αυτοί οι κόκκοι αμύλου είναι όπου μεγάλο μέρος του άνθρακα αποθηκεύεται στα φυτά.

Το στρώμα του χλωροπλάστη είναι το σημείο όπου λαμβάνει χώρα η παραγωγή υδατανθράκων. Αυτή η περιοχή περιέχει κομμάτια DNA και ριβοσώματα μέσα της για αυτόν τον λόγο. Η παρουσία DNA και ριβοσωμάτων μέσα στους χλωροπλάστες είναι μερικοί από τους λόγους που οι επιστήμονες θεωρούν ότι οι χλωροπλάστες είναι το αποτέλεσμα μιας συμβιωτικής σχέσης μεταξύ δύο ξεχωριστών κυττάρων που συγχωνεύονται μεταξύ τους σε μια μακρά εξελικτική διαδικασία. Υπάρχει η υποψία ότι τα κυανοβακτήρια ήταν οι πρόδρομοι των χλωροπλαστών και ότι ζούσαν μέσα στα κύτταρα, δίνοντας στο κύτταρο επιπλέον ενέργεια σε αντάλλαγμα για προστασία από το εξωτερικό περιβάλλον. Επιπλέον, οι χλωροπλάστες αναπαράγονται μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως δυαδικής σχάσης και τα βακτήρια αναπαράγονται ακριβώς με αυτόν τον τρόπο.

Ως δευτερεύουσα σημείωση, οι οργανισμοί που είναι ικανοί να χρησιμοποιούν χημική ενέργεια από το ηλιακό φως αναφέρονται ως φωτοαυτοτροφικοί και αυτός ο όρος προορίζεται να τους διακρίνει από τα χημειοαυτοτροφικά, τα οποία είναι τύποι βακτηρίων που μπορούν να αντλούν την ενέργειά τους από ανόργανες ενώσεις (από τη σύνθεση σακχάρων ).

Διαφορετικοί τύποι πλαστικών

Οι χρωστικές ουσίες λειτουργούν απορροφώντας μήκη κύματος φωτός και διαφορετικά είδη χρωστικών μπορούν να συλλάβουν διαφορετικά μήκη κύματος. Το χρώμα ενός φυτού επηρεάζεται από τον τύπο της χρωστικής που έχει. Τα περισσότερα φυτά είναι πράσινα και παίρνουν το χρώμα τους από τη χλωροφύλλη, αλλά υπάρχουν και άλλες χρωστικές ουσίες όπως τα καροτενοειδή και οι φυκοβιλίνες που δίνουν στα φυτά διαφορετικά χρώματα. Οι φυκοβιλίνες απορροφούν τα κόκκινα, πορτοκαλί και μπλε μέρη του φάσματος φωτός, που σημαίνει ότι κάθε μήκος κύματος εκτός από αυτά τα χρώματα αντανακλάται πίσω στο μάτι. Αντίθετα, τα μπλε και πράσινα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος απορροφώνται από καροτενοειδή που είναι πορτοκαλί, κόκκινο ή κίτρινο.

Photosystem I και Photosystem II

Υπάρχουν διάφορα είδη χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στα φυτικά κύτταρα, αντιδράσεις εξαρτώμενες από το φως και αντιδράσεις ανεξάρτητες από το φως. Όπως μπορείτε να μαντέψετε, οι ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις δεν χρειάζονται ηλιακό φως για να πραγματοποιηθούν, ενώ οι αντιδράσεις που εξαρτώνται από το φως χρειάζονται ηλιακό φως. Στην περίπτωση των φωτοσυστημάτων που εξαρτώνται από το φως, τα θυλακοειδή που βρίσκονται στους χλωροπλάστες απορροφούν το ηλιακό φως και το μετατρέπουν σε ενέργεια που μπορεί να αποθηκευτεί με τη μορφή του μορίου ATP ή σε NADPH (το μόριο φορέα ηλεκτρονίων).

Η κυτταρική διαδικασία που είναι υπεύθυνη για τη μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε ATP ή NADPH λαμβάνει χώρα μέσα σε ένα σύμπλεγμα που αποτελείται από πολλαπλές πρωτεΐνες, μια δομή που ονομάζεται φωτοσύστημα που πραγματοποιεί διάφορους χημικούς μετασχηματισμούς. Ο χλωροπλάστης φιλοξενεί δύο διαφορετικά φωτοσυστήματα:το φωτοσύστημα ένα και το φωτοσύστημα δύο. Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν ενέργεια, και αυτή είναι η ενέργεια που προέρχεται από το ηλιακό φως. Και τα δύο φωτοσυστήματα θα απορροφήσουν αυτή την ενέργεια. Η ενέργεια που συλλαμβάνεται από το φωτοσύστημα μπορεί στη συνέχεια να μεταφερθεί, μετακινώντας ηλεκτρόνια, σε άλλες περιοχές του κυττάρου όπου μπορούν να καταλύουν αντιδράσεις ανεξάρτητες από το φως.

Διαφορές μεταξύ φυτικών και ζωικών κυττάρων

Υπάρχουν οργανίδια τόσο στα φυτικά όσο και στα ζωικά κύτταρα που χειρίζονται την παραγωγή ενέργειας, αλλά αυτά τα οργανίδια είναι διαφορετικά μεταξύ των φυτικών και των ζωικών κυττάρων. Στην περίπτωση των ζωικών κυττάρων, τα μιτοχόνδρια μέσα σε αυτά δημιουργούν ενέργεια για να το χρησιμοποιήσει το κύτταρο χρησιμοποιώντας γλυκόζη και οξυγόνο και εκπέμπει διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Οι χλωροπλάστες στα φυτικά κύτταρα είναι αυτοί που δημιουργούν ενέργεια για το κύτταρο, παρόλο που τα φυτικά κύτταρα διαθέτουν επίσης μιτοχόνδρια. Τα μιτοχόνδρια που βρίσκονται στα φυτικά κύτταρα λειτουργούν λίγο διαφορετικά από το πώς λειτουργούν στα ζωικά κύτταρα. Τα μιτοχόνδρια των ζωικών κυττάρων είναι υπεύθυνα τόσο για την αερόβια αναπνοή όσο και για την παραγωγή ενέργειας, αλλά μόνο η διαδικασία της αναπνοής πραγματοποιείται από τα μιτοχόνδρια στα φυτικά κύτταρα. Εν τω μεταξύ, τα ζωικά κύτταρα στερούνται εντελώς χλωροπλάστες.