CE ESTE FOTOSINTEZA?
Fotosinteza este procesul prin care plantele, bacteriile şi alte animale transformă energia solară pentru a fabrica nutrienţi în formă de zahăr. În cele ce urmează, vom vorbi despre fotosinteză, aşa cum survine aceasta la nivelul plantelor verzi.
CARE ESTE REZULTATUL FOTOSINTEZEI?
Pe dede-oo par parte, te, fot fotosi osinte nteza za asi asigur gurăă cre creşte şterea rea pla plante ntelor lor,, cee ceeaa ce duc ducee la exi existe stenţa nţa une uneii sur surse se es esenţ enţial ialee de alimentaţie pentru multe animale. Pe de altă parte, fotosinteza elimină dioxidul de carbon din aer şi eliberează oxigen în atmosferă, gaz necesar pentru supravieţuirea animalelor. Plantele folosesc glucoza produsă prin fotosinteză pentru a crea carbohidraţi. Aceşti carbohidraţi sunt folosiţi de plante pentru propria dezvoltare, dar ei reprezintă principalul nutrient pentru animalele care se hrănesc cu aceste plante. Dar cum se întâmplă aceste lucruri magice?
FOTOSINTEZA PE SCURT
Procesul fotosintezei este, în fapt, unul foarte complex, iar intrarea în explicaţii de detaliu ar duce la plecarea multor cititori înainte de finalizarea articolului. Prin urmare, ne vom mărgini la a oferi explicaţii foarte sumare în acest paragraf, pentru a oferi un pic mai multe amănunte în paragrafele următoare. În esenţă, fotosinteza constă în folosirea de către plante a dioxidului de carbon şi a apei pentru a produce glucoză şi oxigen. Dioxid de carbon + apă = glucoză + oxigen
Pentru a complica un pic lucrurile, ecuaţia poate arăta astfel: 6CO2 + 6H2O ---> C6H12O6 + 6O2
Cifrele de mai sus pot arăta fioroase pentru un cititor neavizat, dar nu e chiar aşa: este vorba de numărul moleculelor fiecărei părţi implicate în reacţie şi de numărul de atomi din fiecare moleculă De unde sunt luate aceste aceste elemente din ecuaţia de mai sus? Dioxidul de carbon este disponibil disponibil în atmosferă, iar apa, după cum ştim cu toţi, este transferată de plante prin intermediul rădăcinilor acolo unde este necesară.
1
PROCESUL FOTOSINTEZEI
FOTOSINTEZA - DETALII
O plantă foloseşte două molecule de energie superioară pentru crea glucoză. Aceste molecule sunt ATP-ul (adenozi (ade nozină nă trifos trifosfat) fat) şi NADPH (nico (nicotinam tinamidă idă aden adenozină ozină dinu dinucleo cleotidă tidă fosfa fosfat). t). Dar pentru a crea aceste molecule de energie superioară este nevoie de lumină. În urma unui proces complex, energia solară transformă molecule de energie inferioară, ADP (adenozină difosfat) şi NADP (nicotinamidă adenozină dinucleotidă fosfat) în moleculele ATP şi NADPH. Diferenţa reală de energie dintre moleculele de energie superioară şi cele de energie inferioară este foarte mică. Concret, ATP are în plus faţă de ADP un atom de fosfor şi patru atomi de oxigen, cu 2 electroni suplimentari. NADPH este diferit de NADP printr-un singur atom de hidrogen, căruia îi lipseşte un electron. Diferenţele de energie rezultă din numărul diferit de electroni şi poziţia acestora în raport cu atomii. Pe de altă parte, aceste mici diferenţe de energie se adaugă de la milioane de molecule, rezultând astfel la o cantitate considerabilă.
Lumina
Plantele au un pigment numit clorofilă. Clorofila absoarbe lumina din zonele roşu-portocaliu şi albastru-violet din zona spectrului vizibil. De asemenea, clorofila reflectă lumina verde, ceea ce explică de ce noi vedem plantele ca fiind verzi. (Citeşte "Cum "Cum funcţionează simţul văzului"). văzului "). Părţi ale clorofilei denumite antene absorb energia solară şi canalizează această energie către aşa-numite centre de reacţie , unde are loc un alt transfer de energie care constă în mişcarea electronilor de la o moleculă la alta. 2
Principalele reacţii chimice ale fotosintezei se desfăşoară în structuri ale plantei numite cloroplaste; mai precis, în tilacoide. Tilacoidele reprezintă mici saci care conţin substanţe chimice ca NADP şi ADP.
Schimbul de gaze
Plantele nu respiră ca animalele. Cu toate aceste şi ele dispun de componente speciale situate pe frunze, denumite stomate, care au rolul de a se deschide şi închide pentru a permite trecerea gazelor. Stomata este o formaţie epidermică vegetală alcătuită din două celule între care se află o deschidere, servind la schimbul de gaze dintre plantă şi mediu şi la eliminarea apei din plantă. Stomatele permit atât intrarea dioxidului de carbon, cât şi ieşirea oxigenului.
În esenţă, pentru realizarea fotosintezei sunt necesare: energia solară, dioxidul de carbon, clorofila şi apa. Produsele fotosintezei sunt: oxigenul şi compuşi pe bază de carbon (glucoza). Fotosinteza
Nivel: liceu
"Procesul de formare a substantelor organice din substante minerale ,in prezenta luminii,poarta numele de fotosinteza." Fotosinteza este singurul process din natura prin care plantele verzi, in prezenta energiei solare, transforma apa cu substantele minerale si dioxid de carbon in substante organice si pun in libertate oxigenul. Producerea substantelor organicein funzele verzi, din substante minerale, apa, dioxid de carbon, cu ajutor energiei solare se numeste fotosinteza. Epoca in care a avut loc descoperirea fotosintezei a fost cea in care chimia devenea o stiinta exacta,adica in jumatatea secolului al-XVIII-lea.In al-XVIII-lea.In aceasta perioada ,chimisti din diferite tari ale Europei au elaborat metode de separare a gazelorde transferare a lor dintr-un container in altul si determinasera proprietatile lor chimice si fizice.Dupa cate vedem vedem in aceasta epoca stiinta incepea sa se dezvolte din ce in ce mai mult . Fotsinteza inseamna functiune fiziologica proprie plantelor verzi ,datorita careia planta sintetizeaza substantele organice organice din dioxid de carbon si apa cu ajutorul lumini solare absorbite de clorofila(asimilatie clorofiliana).Acest clorofiliana).Acest termen provine din franceza de la : photosynthese. Principala substanta hranitoare preparata in frunze prin fotosinteza este amidonul. Cel mai important process din viata plantei este fotosinteza, iar pentru indeplinirea ei sunt necesari mai multi factori: � clorofila � energia solara � o anumita temperature � CO2 � H2O � saruri minerale
Rolul CO2 in fotosinteza Importanta dioxidului de carbon in procesul de purificare a aerului de catre plante a fost clar formulata de catre botanistul elvetian Senebier. Acesta tratand critic tot ce stiade la Priestley,intr-unul din volumele sale Pristley spunea :"aerul eliberat de catre plantele expuse la soare este produs transformarii aerului cu ajutorul luminii. Rolul apei in fotosinteza Fenomenul fotosintezei a fost clarificat si descris in termeni chimici abia in anul 1804.
3
Acest merit revine chimistului din Geneva , de Saussure, unul din cei mai buni experimentatori , care a pus bazele cercetarii cantitative cantitative in fotosinteza ,in termeni moderni.In "Cercetari chimice asupra vegetalelor",in care a aratat ca suma greutatilor materiei organice produse de plante si O2 eliberat este considerabil mai mare decat greutatea de CO2 consumat.Deoarece plantele folosite in experimentele sale nu primeau nimic in afara de aer(CO2) si apa,el a concis just ca in fotosinteza in afara de dioxidul de carbon participa si apa.Apa cu sarurile minerale sunt absorbite de perisorii absorbanti si conduse prin tulpina pana la frunze.Dioxidul de carbon pratunde prin stomate ,parcurge un drum foarte scurt pana la tesuturile de asimilatie din frunze unde a ajuns si seva bruta.Din apa cu sarurile minerale si dioxidul de carbon planta sintetizeaza (fabrica)substantele (fabrica)substantele organice.Substantele organice impreuna cu o parte din apa absorbita formeaza seva elaborata care circula prin vasele liberiene ale plantei.Ea este folosita pentru hranirea plantei. Deci apa cu sarurile minerale si dioxidul de carbon care patrunde in frunze prin stomate,in prezenta energiei solare,planta formeaza substante organice si elimina oxigenul. Rolul temperaturii Fotosinteza poate fi influentata si de temperatura astfel :la majoritatea plantelor ,fotosinteza creste in jurul temperaturii de 30 de grade.Sub 0 grade fotosinteza se produce numai la conifere.Fotosinteza incepe la 0 grade si creste treptat pana cand temperatura atinge 20-25 de grade,dupa care incetineste treptat ,iar la 45-52 de grade se opreste definitiv.Cultivatorii stiu ca unele plante cum ar fi :cartoful, mazarea, pot fi semanate de timpuriu,pentru ca la acestea fotosinteza are loc la temperaturi mai scazute .Patlagelele rosii ,castravetii,se planteaza mai tarziu ,cand tempereatura creste. Rolul luminii Lumina este factorul principal necesar fotosintezei.Procesul de fotosinteza incepe la o lumina slaba si creste odata cu intensitatea luminii.Daca lumina este foarte intensa atunci fotosinteza incepe sa scada si apoi se opreste. Formula fotosintezei CO2+H2O lumina-> O2 + materie organica Fotosinteza poate fi considerata ca o "legatura" intre Soare si Pamant. Plantele verzi absorb �n mod predominant substan�ele minerale, din care, prin asimila�ie clorofilian�, sunt sintetizate substan�ele organice.Deoarece organice.Deoarece plantele pot sa-si sintetizeze hrana singure din substantele minerale , spunem ca plantele au o hranire autotrofa .Pantele sunt primele producatoare de materie organica ,ele numindu-se din acest motiv si producatori.Deoarece plantele sintetizeaza mai multe substante organice decat le sunt necesare,rezulta necesare,rezulta o rezerva care va circula spre organele de depozitare. Pot fi depozitate urmatoarele tipuri de substante rezerva: -substante dulci:zaharuri,amidon -substante grase:uleiuri -substante proteice Acestee substante pot fi folosite in mai multe situatii: -cand planta duce lipsa de substante hranitoare -pentru inmugurire,in anul urmator -pentru dezvoltarea embrionuluidin samanta care incolteste Importanta Fotosinteza contribuie la mentinerea constanta a compozitiei aerului atmosheric. In absenta procesului de fotosinteza, CO2 produs prin arderi si respiratia vietuitoarelor s-ar acumula in cantitate mare si ar deveni otravitor pentru organizme, iar oxigenul ar scadea. Dosoftei Nicolae
) Influenta temperaturii Ca si in cazul altor procese metabolice, se constata un efect pozitiv al temperaturii asupra fotosintezei pina la 30ºC, dupa care se constata o actiune depresiva, urmata de incetarea procesului catre 45ºC. Intensitatea Intensitatea fotosintezei creste odată cu temperatura, atingând atingând nivelul optim la 30-35ºC apoi coboară rapid catre zero la temperatura de 40-45ºC. Partea fotochimica a fotosintezei este independenta de temperatura, in vreme ce partea biochimica, enzimatica este strict dependenta de temperatura. Cu toate acestea exista printre plante o mare varietate si capacitate capacitat e de adaptare la temperaturile extreme. Muschii, lichenii si coniferele raman verzi si isi pastreaza capacitatea capacitatea fotosintetica in timpul iernii, iar unele alge albastre din lacurile termale cresc si la temperatura de 80ºC. Temperaturile minima, optima optima si maxima a fotosintezei nu sunt fixe, ci difera de la o specie la alta si dupa provenienta plantelor. Astfel, cartoful, adaptat la regiuni mai reci are optimul fotosintezei la 30ºC, iar frunzele de tomate si castraveti, plante de proveninta sudica au optimul in jur de 40ºC.
4
Viata plantelor este legata de circulaţia sevei br ute si a celei elaborate. Apa cu sărurile minerale sunt absorbite de către rădăcinile plantei si circula prin planta sub forma de seva bruta. Absorbţia apei si a sărurilor minerale are loc aproape exclusiv prin vârful rădăcinilor, in zona perişorilor absorbanţi. Ea se realizează printr-un mecanism pasiv si unul activ. Mecanismul pasiv se pasiv se datorează transpiraţiei de la nivelul frunzelor. Aceasta creează o forţa de suctiune ce se transmite de-a lungul vaselor lemnoase din nervurile frunzelor, din tulpina si rădăcina pana la perişorii absorbanţi, care vor capta apa din sol. Mecanismul activ functioneaza activ functioneaza la plantele bine aprovizionate cu apa si in condiţii fiziologice normale, când in rădăcini se dezvolta o presiune pozitiva. Aceasta face ca apa sa fie absorbita de către rădăcini si condusa prin tulpini pana la frunze. Cea mai mare cantitate de apa absorbita de planta se datoreste insa forţei de suctiune. Cu cat transpiraţia este mai intensa cu atât forţa de suctiune a frunzelor este mai mare si implicit si cantitatea de apa absorbita. Conducerea sevei brute in corpul plantelor se face atât prin celule, cat si prin vasele lemnoase. Ea se realizează in mai multe etape:
conducerea centripeta, pe orizontala, de la suprafaţa rădăcinii prin parenchimul cortical pana la vasele lemnoase;
•
transportul longitudinal prin vasele lemnoase, lemnoase , de la rădăcini, pana in vârful tulpinii si al ramurilor, in frunze, flori si fructe;
•
conducerea centrifuga din nou pe orizontala prin parenchimul tulpinii, ramurilor, frunzelor, florilor si fructelor.
•
Forţele care contribuie la ascensiunea sevei brute in corpul plantelor sunt: presiunea radiculara si forţa de suctiune. suctiune . Presiunea radiculara actioneaza mai ales primăvara, înainte de apariţie frunzelor. Ea apare datorita concentraţiei scăzute a apei in vasele lemnoase ale rădăcinii. Forţa de suctiune depinde de intensitatea transpiraţiei, care este strâns legata de o serie de factori externi(temperatura aerului si a solului, umiditatea, vântul, lumina) si interni(densitatea si gradul de deschidere al stomatelor, suprafaţa totala a frunzelor, densitatea per işorilor absorbanţi). Când apare un dezechilibru in aprovizionarea cu apa a unei plante, celulele pierd apa ţesuturile se înmoaie si planta se ofileşte. Fotosinteza este procesul complex care consta in sinteza substanţelor organice (glucide, lipide, proteine) din substanţe anorganice folosindu-se ca sursa de energie energia luminoasa cu ajutorul pigmenţilor clorofilieni. Principalele organisme fotosintetizante sunt plantele verzi superioare. Frunzei acestora, specializata in realizarea fotosintezei, ii sunt necesare următoarele condiţii:
•
aprovizionarea cu apa, săruri minerale si dioxid de carbon;
existenta pigmenţilor fotosintetizanţi(clorofilieni) pentru captarea si conversia energiei solare in energie chimica, înglobata in substanţele organice produse cu eliberarea in atmosfera a oxigenului. •
Frunza indeplineste aceste condiţii, deoarece structura sa interna este perfect corelata cu funcţia sa specifica, datorita existentei:
5
•
parenchimului asimilator (mai (mai ales, ţesutului palisadic bogat in cloroplaste);
ţesuturilor conducătoare din fasciculele libero-lemnoase (nervuri) – „canalele” de circulaţie a sevei plantei(bruta si elaborata);
•
celulele epidermice transformate in stomate, care controleaza schimburile de gaze in fotosinteza, respiraţie, precum si reglarea intensitatii transpiraţiei (eliminarea apei sub forma de vapori);
•
•
spatiile intercelulare din ţesutul lacunar prin lacunar prin care are loc difuzia gazelor.
Condiţia esenţiala pentru realizarea fotosintezei este captarea energiei luminoase si conversia ei in energie chimica de către pigmenţii asimilatori din sistemul tilacoidal (grana) al cloroplastelor. Numărul si forma cloroplastelor variază. Astfel, la plantele verzi e le sunt numeroase, mici, sferice sau elipsoidale, staţionate mai ales, in celulele frunzelor. La pr otistele fotosintetizatoare, ele sunt mari si se numesc cromatofori . Cloroplastele se multiplica si se perpetuează prin diviziune. Structura unui cloroplast. Prezintă o membrana dubla, permeabila pentru O2, CO2, diferiţi ioni (Fe3+,Mg2+), glucoza. In interior se afla substanţa fundamentala(stroma), care conţine enzime, incluziuni lipidice, granule de amidon, acizi nucleici si ribozomi. Membrana interna formează numeroase plieri lamelare numite tilacoide. Ele ocupa interiorul cloroplastelor si formează structuri de tipul fişicului de monede(grana). Membranele tilacoidelor conţin pigmenţi clorofilieni; ele sunt sediul reacţiilor fotosintezei dependente de lumina. Pigmenţii asimilatori (clorofilele a si b si carotenoizii) sunt organizaţi in fotosisteme fotosisteme.. Ele functioneaza ca nişte „antene” sensibile care absorb energia fotonica si o transmit la clorofila a – centrul de reacţie al fotosistemului. Ecuaţia generala a procesului de fotosinteza este: 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6O2. Respectiv, din sase molecule de CO2 si sase de H2O se formează o molecula de glucoza si sase molecule de O2. Fotosinteza se desfasoara in doua etape succesive, interdependente: una la lumina si alta la întuneric. Etapa de lumina se produce in grana cloroplastelor; clorofila a absoarbe energia luminoasa si o utilizează pentru: a. sinteza unor substanţe necesare in următoarea e tapa, intre care ATP-ul (adenozintrifosfat)-substanţa macroergica a organismelor, care contribuie la conversia ener giei luminoase in energie chimica; b. descompunerea apei in hidrogen si oxigen(fotoliza), acesta din urma fiind eliminat in atmosfera. Etapa de întuneric are întuneric are loc la nivelul stromei. Ea consta in reacţii care folosesc energia stocata in ATP pentru incorporarea CO2 din aer in compuşi organici – hidraţi de carbon(in special, glucoza). Monozaharidele sunt convertite in polizaharide(amidon, celuloza), acizi organici, lipide. Substanţele organice sintetizate in frunza(seva elaborata) sunt conduse prin vasele de liber la ţesuturile din întreaga planta unde sunt consumate sau depozitate. Fotosinteza este un proces supus influentelor factorilor de mediu. Dintre aceştia pot fi enumeraţi: temperatura, cantitatea si calitatea luminii, cantitatea de O2 si de CO2 .
6
In general, procesul de fotosinteza începe la o temperatura uşor inferioara valorii de 0ºC,creste in intensitate odată cu ridicarea temperaturii, atingând la unele plante maximum de intensitate la 30-37ºC, după care, prin mărirea in continuarea temperaturii, descreşte rapid, încetând in jurul temperaturii de 50ºC. Exista mari variaţii intre diferite specii, variaţii care se datorează mediului in care trăiesc plantele respective, temperaturilor la care sunt adaptate. Te mperatura optima pentru fotosinteza este in strânsa legătura cu condiţiile de iluminare si cu concentraţia CO2 din mediu. In general, la plantele din zona temperata, temperatura optima a fotosintezei este cuprinsa intre20 -30ºC. In ceea ce priveşte limita inferioara a temperaturii la care fotosinteza mai are loc s-a constatat ca la plantele cu frunze sempervirescente, fotosinteza are loc la temperaturi mult mai coborâte: frunzele aciculare de molid pot asimila pana la temperatura de -6ºC, iar frunzele de grâu de toamna pana la -2ºC. In legătura cu limita maxima a temperaturii, s-a constatat ca la plantele din regiunile temperate, fotosinteza încetează la o temperatura mai mica (45-50ºC) fata de cele din regiunile sudice, la care temperatura maxima este de 50-55ºC.
Importanta fotosintezei:
este cel mai complex proces natural de sinteza a substanţelor organice din substanţe anorganice; de existenta organismelor fotosintetizante(producătorii ecosistemelor)depinde întreaga viata pe Tetra; •
prin utilizarea dioxidului de carbon eliberat din respiraţia vieţuitoarelor sau din procesele de ardere industriala, menţine concentraţia acestuia la valori care nu depasesc limita toxica(0,03%); •
•
prin eliminarea oxigenului reimprospateaza atmosfera si o face propice respiraţiei organismelor;
•
asigura circulaţia in natura a carbonului, azotului, fosforului.
Din toate acestea rezulta ca in fotosinteza se consuma CO2 si se eliberează O2.
Respiraţia reprezintă procesul fiziologic prin care la nivelul celulei substanţei organice sunt oxidate rezultând energie. Respiraţia cuprinde schimburile gazoase dintre organisme si mediu(respiraţie externa) – preluarea oxigenului si eliberarea dioxidului de carbon – precum si transportul gazelor respiratorii pana la nivelul celulelor(respiraţie celulara). In funcţie de modul in care este folosit oxigenul, respiraţia poate fi aeroba si anaeroba anaeroba.. Respiraţia anaeroba se produce in lipsa oxigenului. Substanţele organice sunt oxidate pana la formarea unui produs intermediar si a dioxidului de carbon. Ecuaţia reacţiei este următoarea: C6H12O6 → produs intermediar + CO2 +energie(~30Kcal.) Nu se produce apa, iar cantitatea de energie rezulta este mult mai mica decât cea eliberata in respirata aeroba, deoarece o9 mare parte este stocata in produs intermediar. Respiraţia anaeroba este caracteristica ciupercilor si bacteriilor, dar exista si la plantele superioare si ţesuturile animale. Astfel, datorita respiraţiei anaerobe, plantele superioare din culturile inundate pot supravieţui câteva zile. La animale, in celulele musculare, datorita unui efort prelungit, aportul de oxigen este insuficient pentru respiraţia aeroba. De aceea, in muşchi se acumulează o mare cantitate de acid lactic. El este toxic si blochează contracţia fibrelor musculare; astfel apar crampele musculare. Respiraţia anaeroba la bacterii si ciuperci se numeşte fermentaţie fermentaţie.. După natura produsului obţinut,
7
fermentaţiile sunt de mai multe tipuri: alcoolica, lactica, acetic a. a. Fermentaţia alcoolica este produsa de unele ciuperci: drojdia de bere, drojdia vinului. Glucoza este transformata in alcool etilic, CO2 si energie. Aceasta fermentaţie are aplicaţii la fabricarea pâinii si a băuturilor alcoolice. Umflarea aluatului de pâine ca si „fierberea” mustului se datoresc bulelor de CO2 degajate. Fermentaţia lactica este produsa de unele bacterii. Molecula de glucoza este rupta in doua molecule de acid lactic. Aceasta fermentaţie se aplica la obţinerea laptelui acru, iaurtului, pr epararea murăturilor, a nutreţurilor murate. Fermentaţia acetica este produsa de anumite bacterii care transforma zaharurile sau alcoolul etilic in acid acetic. Are aplicaţii in industria oţetului. Respiraţia aeroba are loc numai in prezenta oxigenului după următoarea reacţie chimica: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 675Kcal. Majoritatea plantelor si animalelor au respiraţie aeroba. Plantele folosesc in respiraţie oxigenul liber din aer si sol sau dizolvat in apa. Deşi respira tot timpul, in cursul zilei respiraţia plantelor este mascata de fotosinteza. Ziua, in acelaşi interval de timp, cantitatea de dioxid de carbon eliminata prin respiraţie este foarte mica in comparaţie cu cea absorbita prin fotosinteza; practic la lumina poate fi pusa in evidenta numai cantitatea de dioxid de carbon absorbit. Organul principal specializat prin care se realizează respiraţia la plante este frunza frunza.. Schimbul de gaze respiratorii are loc la nivelul stomatelor si al spatiilor intercelulare numeroase din ţesutul lacunar al frunzelor. Stomatele sunt celule modificate in scopul realizării schimbului de gaze(CO2 si O2) in respiraţie si in fotosinteza, si al eliminării vaporilor de apa, prin transpiraţie. O stomata este formata din doua celule de forma unor boabe de fasole, care lasă intre ele o deschidere(ostiola). Pereţii lor sunt inegal ingrosati, cu rol in deschiderea si închiderea stomatelor in funcţie de lumina, umiditate, temperatura aerului. Stomatele se găsesc din loc in loc in epiderma(mai numeroase in epiderma inferioara). La frunzele plantelor care plutesc(exemplu, la nufăr), stomatele se găsesc numai pe epiderma superioara. Plantele respira si prin celelalte organe(rădăcina, tulpina, floare, samanta). De exemplu, rădăcinile respira la nivelul perişorilor absorbanţi, unde are loc schimbul gazelor respiratorii. Aşa se explica de ce plantele au nevoie de soluri bine aerate. Unele plante acvatice (exemplu, chiparosul de balta) au rădăcini respiratorii(pneumatori); la majoritatea plantelor acvatice schimburile de gaze se fac intre gazele dizolvate in apa si organele imersate. Plantele de dimensiuni mari (arborii) au in scoarţa nişte deschideri (lenticele) cu rol in respiraţie. Mitocondriile sunt organite celulare prezente in toate celulele eucariotelor aerobe, aşezate, de regula, in apropierea nucleului. Majoritatea au forma elipsoidala, dar pot fi si sferice, in forma de bastonaş. Sunt mai numeroase in celulele cu activitate intensa(fibrele muşchilor striaţi, celule hepatice, celule aflate in diviziune). Mitocondriile se multiplica prin diviziune, fragmentare sau înmugurire si se transmit de la o generaţie celulara la alta, pe linie materna.
Structura unei mitocondrii . Prezintă o membrana dubla. Cea Ce a interna formează prin invaginare numeroase criste, care conţin enzime. In interiorul mitocondriei se găsesc diferite substanţe minerale si organice, inclusiv acizi nucleici.
8
Mitocondriile au rol esenţial in respiraţia celulara, fiind considerate „centrale energetice” ale celulelor; in procesul de respiraţie celulara are loc eliberarea de energie. Energia este apoi înmagazinata in moleculele de ATP. Mitocondriile constituie sediul formarii ATP. Aceasta energie este folosita in toate procesele pro cesele metabolice vitale, di organism(contracţiile musculare, conducerea impulsului nervos). Ea poate fi folosita ca atare in sinteza de molecule organice sau poate fi transformata in alte forme de energie: electrica, mecanica, calorica sau luminoasa. Mitocondriile au rol si in sintezele de proteine si lipide. Procesul de respiraţie la plante este influenţat de o serie de factori :
cantitatea de O2 si de CO2 din aer (când (când este prea mult CO2 in aer si prea puţin O2, plantele pot muri);
•
•
temperatura aerului (începe (începe la 0ºC ci creste pana la 30-35ºC);
•
gradul de hidratare a celulelor (seminţele (seminţele au intensitatea respiraţiei mai scăzuta);
•
vârsta plantelor (cele (cele tinere respira mai intens decât cele imbatranite).
Observam ca O2 este gazul consumat in respiraţie r espiraţie si CO2 gazul rezultat din respiraţie. In concluzie, fotosinteza si respiraţia sunt doua procese complementare.
MECANISMUL FOTOSINTEZEI FAZA DE LUMINA A FOTOSINTEZEI Este numita faza Robin Hill si consta dintr-un lant de transformari transformari fotofizice si reactii fotochimice desfasurate in granele cloroplastelor , caracterizate prin urmatoarele procese de prima i mportanta : captarea CO2 in cloroplastele celulelor asimilatoare , stimularea clorofilei pentru fixarea energiei luminoase , fosforilarea ADP in ATP , fotoliza fotoliza apei cu fixarea H+ in NADP redus si eliminarea O2 . Toate aceste procese necesita in mod obligatoriu , prezenta luminii si sunt grupate in trei etape distincte : patrunderea CO2 in cloroplaste , absorbtia energiei luminoase si transformarea in energie chimica . ABSORBTIA CO2 IN CLOROPLASTE . In aceasta prima etapa a fazei de lumina , aerul din mediul inconjurator patrunde prin osteolele stomatelor , deschise prin reactie fiziologica fotoactiva si trece in camera substomatica , de unde difuzeaza in spatiile initercelulare , aj ungand 20420p1523u in contact direct cu membranele celulozice ale celulelor asimilatoare din t esutul palisadic , situat spre fata superioara a limbului sau din tesutul lacunar , situat spre fata inferioara . Daca membranele membranele celulelor asimilatoare sunt umede , permanent permanent irigate cu apa absorbita sin sol , CO2 din aerul circulant in spatiile intercelulare intercelulare , cu o mare mare capacitate de hidrosolubilitate , se dizolva in apa si trece in acid carbonic (H2CO3) care , dupa dupa disociere da forme ionice HCO3 - CO3- ce patrund in citoplasma celulara pana la cloroplaste .
Ca atare , rezulta ca o prima conditie a fotosintezei este deschiderea osteolelor stomatelor stomatelor si prezenta apei in cantitati suficiente ini tesuturile foliare . Noaptea cand stomatele sun inchise prin reactia reactia fiziologica fotoactiva precum si in perioadele de seceta , cand stomatele sunt sunt inchise prin reactia hidroactiva , iar membranele celulare din mezofilul frunzei sunt usc ate , fotosinteza este blocata ;cresterea plantelor stagneaza din lipsa asimilatelor noi sintetizate . . Etapa a doua a fazei Hill din desfasurarea fotosintezei consta din captarea luminii de catre pigmentii asimilatorii sub forma de fotoni . Intensitatea acestui proces fotofizic este proportionala cu numarul de fotoni absorbiti , ceea ce face ca necesarul de lumina pentru fotosintezaa se exprime prin numarul de cuante/molecule (Einstein ) .
ABSORBTIA ENERGIEI LUMINOASE
In captarea energiei luminoase rolul principal il prezinta clorofila a683 din din sistemul I de pigmenti , care actioneaza ca un sensibilizator optic si participa direct la captarea cuantelor de lumina , indeosebi a fotonilor rosii si albastri . Energia luminoasa , fixata de cl orofila a683 , este transferata pe moleculele de clorofila a700 , intr-un timp foarte scurt , dupa principiul rezonantei inductive . A cest transfer de energie este posibil numai atunci cand distanta dintre moleculele de clorofila este sub 50- 100 A , conditie conditie realizata in cuantozomi . Se considera ca in acest proces , 200 molecule de clorofila a683 , aranjate intr-un fascicul , au functia asemanatoare unei lentile , care capteaza fotonii si ii concentreaza intr-un punct focal , respectiv pe molecula de clorofila a700, cu rol de depozit primar al energiei luminoase. Pigmentii din sistemul II de pigmenti participa indirect la aceasta etapa fotofizica , prin captarea captarea unei cantitati reduse de fotoni pe care il transfera pe clorofila a683 prin inductie moleculara sau prin fenomene de rezonanta .
9
Cea de-a treia etapa a fazei Hill din procesul procesul fotosintezei cuprinde trei subetape : fotofosforilarea acilica , fotofosfilarea ciclicasi fotoliza apei , reactii descoperite de D. I. Arnon (1954) in cloroplaste izolate
TRANSFORMAREA ENERGIEI LUMINOASE IN ENERGIE CHIMICA .
Prin procesele de fosforilare , plantele verzi inmagazineaza o parte din energia libera care provine din activitatea metabolica proprie sau de l a soare si conserva un anumit potential energetic energetic sub forma de molecule stabile , bogate in energie energie de ATP , care , prin hidroliza este utilizat in satisfacerea nevoilor termodinamice ale reactiilor endergonice din metabolism . In aceste procese ATP-ul este intr-o continua sinteza si hidroliza . La animale cea mai mare parte a energiei este produsa din sinteza ATP in procesul de fosforilare oxidativa , la care are loc la nivelul mitocondriilor . La plante verzi fotoautotrofe exista , pe langa fosforilarea fosforilarea oxidativa , procese de sinteza a ATP prin fosforilarea fosforilarea fotosintetica sau fotofosforilare . Notiune de fosforilare fosforilare a fost data de S. Ruben ( 1943 ) , intelegand procesul prin care se creaza creaza un compus fosforilat , bogat in energie , de origine fotochimica independenta de oxidarile respiratorii . In momentul transferului de energie de pe molecula de clorofila a683 pe molecula de clorofila a700 are loc o exitare de scutra durata a electonilor din atomul de Mg++ , care determina ca doi electroni sa se desprinda de pe clorofila s i sa se cupleze cu fotonii de lumina . I n aceasta stare de excitatie , electronii liberi , cu un nivel enrgetic ridicat , sunt transportati de anumite substante , si trece , impreuna cu fotonii pe diferite sisteme de oxidoreducere oxidoreducere .
FOTOFOSFORILAREA FOTOFOSFORILAR EA ACIELICA.
Feredoxina este o heteroproteina heteroproteina cu greutate moleculara de 10500 si 13000 avand 95100 aminoacizi si o grupare grupare prostetica ferosulfurica care ii dau culoare rosie . Biosinteza feredoxinei are loc in ribozomii citoplasmatici , prin reactii dependente dependente de lumina . Feredoxina prezinta absorbtii maxime din spectrul de lumina la 227 nm , 330 nm si 420 nm , cu variatii functie de modul de legare a atomilor de Fe++ pe molecula proteica . Indeplineste rolul unei pile electrice , impreuna cu cuantozomii si lamelele granelor , fiind activa in fluxul electronic acilic care implica fotoreducerea moleculelor de NADP+ . FAZA DE INTUNERIC A FOTOSINTEZEI
Este denumita si faza F. F. Blackmann sau faza termo-chimica enzimatica s i include anumite reactii biochimice , i ndependente de lumina , dar dependente de temperatura , in care intervin anumite enzime localizate in stroma nepigmentata a cloroplastelor . Principalele reactii ale fazei de intuneric sunt : integrarea carbonului pe o substanta acceptoare , reducerea CO2 , cedarea energiei inmagazinata in ATP si NAPH in substantele organice organice primare formate in fotosinteza si polimerizarea acestora in substante organice complexe ( glucide , lipide , proteina proteina , acizi nucleici , pigmenti pigmenti ) Conform teoriei lui S. Ruben si M. D. Kamen Kamen (1948 ) prima reactie a carboxilarii carboxilarii fotosintetice consta in fixarea CO2 pe un complex organic acceptor , existent in stroma cloroplastelor . In lantul de procese biochimice care au loc la intuneric , M. Calvin Calvin si A. A. Benson (1948 ) au stabilit ca primul acceptor organic organic este compusul 5- fosforibuloza , care provine din hexoze , fosforilate printr-un lant de reactii intermediare . In afara de 5-fosforibuloza exista si alti acceptori pentru CO2 ( acid piruvic , oxid oxililacetic , glicerina ) , dar cu rol foatre redus si in alte procese metabolice . Compusul 5-fosforibuloza este esterificat in prezenta enzimei fosfopentochinaza si a energiei date de ATP trecand in 1,5 –difosforibuloza . Prin mutarea gruparii cetonice de la C2 la C3 se formeaza un compus iz omer instabil care in prezenta carboximutazei are capacitatea de a capta CO2 la nivelul C2 , dand o noua substanta instabila si energie calorica evaluata la 8kcal/mol CO2 fixat . Ultimul compus instabil se rupe intre C2 si C3 , sub actiunea enzimei carboximutatei si a H2O , dand nastere la doua molecule de acid 3-fosfogliceric . Acidul 3-fosfogliceric este fosforilet in prezenta unei grupari macroergice ATP si a enzimei fosfoglicerochinaza , trecand in acid 1,3difosfogliceric . In continuarie , sub influenta H+ provenit din fotoliza apei si difuzat in stroma cloroplastelor prin intermediul dehidrazelor , precum si in prezenta gruparilor gruparilor nucleotidice reduse ( NAPDH ) , are loc reducerea reducerea acidului 1,3-difosfogliceric in aldehida 3-fosfoglicerica , rolul catalitic fiind indeplinit de enzima 3-fosfogliceraldehiddehidrogenaza . Aldehida 3-fosfoglicerica este o trioza fosforilata si reprezinta cel mai simplu compus glucidic sintetizat in fotosinteza . Pentru sinteza glucidelor mai complexe , respectiv formarea hexozelor , aldehida 3-fosfoglicerica este izomerizata in prezenta triozofosfatizomerazei si trece in 3-fosfodihidroxiacetona . Sub actiunea enzimei aldolaza are loc combinarea unei molecule de 3-fosfodihidroxiacetona , dand nastere la prima hexoza in stare dubla fosforilata , respectiv 1,6-difosfofructoza . Prin procese de defosforilare , 1,6-difosfofructoza se transforma in 6-fosfofructoza . Dupa D.B. Buchman (1971) , aceaste defosforilare la nivelul cloroplastelor implica prezenta feredoxinei , a cationului Mg++ , a gruparii – SH si a enzimei fructozo-1,6-difosfactaza.
10
