Fotosyntéza a dýchanie

Fotosyntéza a dýchania
 
Fotosyntéza
- nezastupiteľný proces
- jediný prírodný proces tvorby organických látok a kyslíka, ktorý rastliny uvoľňujú do atmosféry
- predpoklad biologickej existencie života na uhlíkovom základe
 
- podstatou fotosyntézy je premena atmosférického oxidu uhličitého na glukózu, sprevádzaná uvoľňovaním kyslíka využitím svetelnej energie a asimilačných farbív
- hlavný orgán fotosyntézy je list – má najväčší povrch a teda aj najviac plastidov
- predpoklad pre priebeh fotosyntézy je prítomnosť fotosynteticky účinných farbív, oxidu uhličitého, vody a energie slnka
- kľúčovú úlohu majú asimilačné farbivá – selektívne zachytávajú a špecificky spracúvajú energiu slnečných lúčov príslušnej vlnovej dĺžky
- sú to chlorofyly, karotenoidy, fykobilíny – každé farbivo absorbuje inú časť spektra viditeľného svetla v škále 400 do 700 nm
- fotosynteticky aktívny je modrozelený chlorofyl a jeho doplnkom je žltozelený chlorofyl b a karotenoidy
- medzi základné karotenoidy patria karotény (orabžový betakarotén) a xantofyly (žltej až hnedej farby)
- fykobilíny sú farbivá siníc (modrý fykocianín) a rias (červený - fykoerytrín)
- asimilačné pigmenty fungujú ako zberače slnečnej energie – fotónov rôznej vlnovej dĺžky, energiu ktorých postupne prenášajú až na konečný akceptor – chlorofyl a – ten špecifické postavenie – ako jediný pigment nielen „pasívne“ absorbuje energiu prenášačov, ale dokáže ju aj „aktívne“ využiť – preto sa nazýva aj aktívny chlorofyl
 
Chemické procesy fotosyntézy
- primárne procesy – závislé od svetla, spojené s premenou slnečnej energie na energiu chemických väzieb – fotochemická – svetelná fáza, prebiehajú na membránach chloroplastov
- sekundárne procesy – nie sú priamo závislé od svetla, táto fáza sa nazýva aj tmavá, jej podstatou je premena látok t.j. oxidu uhličitého na glukózu
- oxid uhličitý sa redukuje vodíkom, ktorého prenášačom je koenzým NADP+, konečný produkt je glukóza – je výsledkom celého radu biochemických reakcií - nazýva sa teda aj syntetická fáza
- tieto procesy prebiehajú v stróme chloroplastov
 
Fotochemická fáza
- podmienky jej iniciovania:
- prítomnosť asimilačných farbív a vody
- energia žiarenia vlnovej dĺžky 400 – 700 nm
- koenzýmy ako prenášače vodíka v redox-reakciách (NADPH + H+)
- základný princíp – absorpcia fotónov systémom asimilačných farbív a premena ich energie na chemickú energiu
- energia fotónov sa postupne zabudováva do makroergických fosfátových väzieb ATP prostredníctvom fotosystémov (bielkovinové komplexy a špecifické pigmentové sústavy – oxidačno-redukčné systémy), ktoré fungujú ako transformátory (meniče energie)
- tento spôsob tvory ATB bezprostredne závisí od energie fotónov – fotofosforylácia
- ATP ako univerzálny prenášač energie zabezpečuje energetické potreby (spotrebúva sa) spojené s premenou oxidu uhličitého na glukózu
- prebieha aj rozklad vody, voda podlieha disociácii len vplyvom svetelného žiarenia a príslušnej pigmentovej sústavy – fotolýza vody
- vedľajším produktom je aj molekulový kyslík, ktorý sa uvoľnuje do ovzdušia
- vodík uvoľnený vo fotolýze sa viaže na akceptorNADP+ a vzniká NADPH + H+, ktorý ma funkciu redukovadla v syntetickej fáze fotosyntézy
 
Syntetická fáza
- podmienky:
- dostupnosť oxidu uhličitého a ATP
- prítomnosť organického substrátu (akceptor – látka, na ktorú sa viaže CO2)
- prítomnosť špecifických enzýmov a koenzýmov
 
- na premenu látok je využitá chemická energia ATP a vodík na redukciu CO2 dodáva NADPH + H+
- redukcii CO2 na cukor predchádza jeho naviazanie – fixácia na vhodný organický substrát – primárnym akceptorom je RuBP (ribulóza 1,5-biofosfát)
- po naviazaní CO2 na RuBP vznikne nestabilný šesťuholníkový medziprodukt, ktorý sa vzápätí rozpadne na dve molekuly trojuholníkovej kyseliny, a preto sa rastliny s týmto mechanizmom fixácie nazývajú C3 rastliny (väčšina bežných zelených rastlín)
- proces vzniku glukózy cez príslušné medziprodukty je cyklický
- takto vytvorené glukóza polymerizuje na škrob, ktorý je pohotovostnou energetickou zásobou pre rastlinu
- cyklický proces fixácie a následnej asimilácie CO2 na RuBP nazýva Calvinov-Bensonov cyklus
 
Dýchanie
- proces disimilácie – uvoľňovanie energie z chemických väzieb – je riadená enzýmami, uskutočňuje sa postupne
- dýchanie sa uskutočňuje v každej bunke
- katabolický proces – zložité látky sa štiepia na jednoduché, konečným produktom je CO2 a H2O
- energia uvoľnená z chemických väzieb organických látok sa ukladá do molekúl ATP
- dýchanie – respirácia – je špecifický proces disimilácie spojený s prijímaním O2 a výdajom CO2, za súčasného uvoľňovania energie viazanej v substráte
- podmienkou dýchania je prítomnosť substrátu (látka, v ktorej je viazaná energia), kyslíka a enzýmov
- najdôležitejším substrátom dýchania je glukóza (pri nedostatku sacharidov využívajú rastliny pri dýchaní tuky alebo organický kyseliny – jablčnú a citrónovú)
- proces dýchania je viacstupňový a prebieha v cytoplazme a mitochondriách
- oxidácia biologického substrátu je séria biochemických reakcií štiepenia organických látok – biologická oxidácia – jej podstatou je postupné odbúravanie uhlíka z medziproduktov štiepenia až na oxid uhličitý a okysličovanie vodíka, ktorý slúži ako palivo, na vodu
- biologická oxidácia môže podľa zdroja kyslíka prebiehať v zásade dvojakým spôsobom:
- anaeróbne – bez prístupu kyslíka
- aeróbne – za prístupu kyslíka
 
- anaeróbne dýchanie – prvá etapa biologickej oxidácie – anaeróbna glykolýza – prebieha v cytoplazme všetkých aktívnych buniek
- štiepenie glukózy až na trojuholníkovú kyselinu pyrohroznovú, pričom čistý energetický zisk sú 2 molekuly ATP
- pretože uvoľnená energia je veľmi malá, jej podstatná časť zostáva viazaná v neúplne zoxidovanej kyseline pyrohroznovej, nazýva sa proces anaeróbnej glykolýzy aj neúplná oxidácia
 
- ak ďalší rozklad kyseliny pyrohroznovej pokračuje bez prístupu vonkajšieho kyslíka, proces rozkladu cukru končí procesom kvasenia
- za neprítomnosti kyslíka nastáva pravé kvasenie – biologický rozklad cukrov pomocou mikroorganizmomv – vodík uvoľnený v anaeróbnej glykolýze pôsobí ako redukčný reagent a celý proces kvasenia urýchľujú mikroorganizmy – baktérie, kvasinky, plesne, ktoré si tak získavajú energiu na svoje životné deje
- liehové kvasenie – uskutočňujú kvasinky pivné (Saccharomyces elipsoideus)
- mliečne kvasenie – z cukrov vzniká kyselina mliečna, ktorá je výsledkom anaeróbneho dýchania v bunkách živočíchov a človeka, napr. svalových bunkách, kyselina mliečna je pre svalové bunky toxická, čo je sprevádzané bolesťami svalov
- baktérie mliečneho kvasenia vyvolávajú aj kysnutie mlieka (Bacterium acidi lactici) – výroba mlieka, jogurtov, kyslej kapusty, silážovaných krmovín
 
- aeróbne dýchanie – úplná oxidácia organických látok za prítomnosti kyslíka, prebieha v mitochondriách v matrice, na membránach ktorých sú oxidačno-redukčné enzýmy podmieňujúce jednotlivé reakcie
- kyselina pyrohroznová ako základný produkt glykolýzy je transportovaná do mitochondriálnej matrix, kde dochádza v procese oxidačnej dekarboxylácie k postupnému odbúravaniu CO2, čím vznikajú ďalšie zlúčeniny
- kyselina pyrohroznová tak podlieha postupnému štiepeniu na rôzne medziprodukty až do úplnej oxidácie na CO2 a H2O
- dôležitým medziproduktom oxidačnej dekarboxylácie je uzlový bod metabolizmu uhlíka, aktivovaná kyselina octová acetylkoenzým A, ktorý vzniká ako medziprodukt v metabolizme cukrov, tukov a bielkovín
 
- vlastné enzymatické odbúravanie uhlíka a vodíka je cyklický proces – Krebsov cyklus – konečná fáza odbúravania medziproduktov metabolizmu cukrov, tukov a čiastočne aj bielkovín
- aktivovaná kyselina octová (acetylkoenzým A) po naviazaní kyseliny oxáloctovej dáva vznik kľúčovému medziproduktu cyklu – kyseline citrónovej – jej postupnou oxidáciou – enzymatickým odnímaním uhlíkov vo forme oxidu uhličitého (dekarboxylázami) a vodíkov (dehydrogenázami) v citrátovom cykle sa uvoľňuje jeden z produktov dýchania oxid uhličitý
- uvoľnený vodík sa viaže na prenášače (redukované koenzými, napr. NADPJ + H+) a vstupuje do dýchacieho reťazca
- dýchací reťazec – sled reakcíí, v ktorom sa energia uvoľnená zo zlúčenín Krebsovho cyklu využíva na fosforyláciu, tvorbu ATP
- súčasne sú do dýchacieho reťazca pomocou redukovaného koenzýmu NADPH + H+ prenesené ióny vodíka, kde prebieha ich oxidácia na vodu
- energetický zisk pri odbúravaní jednej molekuly glukózy je v procese aeróbneho dýchania 30 molekúl ATP, čo je výhodnejšie ako pri anaeróbnych procesoch
- dýchací reťazec, ktorého konečným produktom je voda, je lokalizovaný vo vnútornej mitochondriálnej membráne
- oxidázy ďalej umožňujú, aby sa uvoľnená energia zabudovala do molekúl ATP, pričom 50% energie sa využije na životné deje rastlín
- časť využíva rastlina ako zásobné látky, stavebné látky atď.
- intenzita dýchania – je daná spotrebou kyslíka a produkciou oxidu uhličitého, nie je pri všetkých rastlinách rovnaká
- respiračný kvocient RQ – je pomer vyprodukovaného CO2 k spotrebovanému O2, pre glukótu sú hodnoty RQ = 1
 
Fotosyntéza a dýchanie
- fotorespirácia – dýchanie, ktoré sa uskutočňuje na svetle súčasne s fotosyntézou a hneď sa pri nej spotrebúva časť práve vyprodukovaných organických látok
- môže sa ňou oxidovať až polovica produktov fotosyntézy = je ekonomicky nevýhodná