Fotosynteza - BazaTematow.pl

advertisement
BIOLOGIA
„Fotosynteza i oddychanie jako procesy metaboliczne”
Wszystkie organizmy żywe utrzymują się przy życiu, rosną i rozmnażają się dzięki stałemu
pobieraniu substancji pokarmowych, a których po odpowiednich przekształceniach organizm
otrzymuje materię konieczną dla wzrostu i energię niezbędną do przebiegu różnorodnych
procesów życiowych. Procesy polegające na pobieraniu ze środowiska substancji
pokarmowych, przekształcaniu ich w swoisty sposób i wytwarzaniu przy tym energii, są
charakterystyczną cechą życia i noszą nazwę procesów przemiany materii i energii lub inaczej
metabolizmu. Podzielić można je na dwie grupy. Pierwszą z nich stanowią procesy syntezy
(inaczej zwane procesami asymilacji lub anabolizmu) polegające na tworzeniu się ze
związków prostych w organizmie związków bardziej złożonych i włączaniu ich w skład
własnego ciała. Drugą grupę z kolei stanowią procesy rozpadu (lub katabolizmu) polegające
na rozszczepianiu bardziej złożonych substancji na prostsze. Procesy syntezy wymagają
dopływu energii z zewnątrz, procesom rozpadu towarzyszy zawsze wyzwalanie energii.
Procesy katabolizmu dostarczają organizmowi energii niezbędnej do wytwarzania
specyficznych dla każdego organizmu substancji organicznych, co jest nie tylko warunkiem
wzrostu, ale i odnawiania się komórek, oraz energii koniecznej do przebiegu różnorodnych
1
procesów życiowych, jak ruch, rozmnażanie, utrzymanie stałej temperatury ciała, itp. Procesy
syntezy i rozpadu zachodzą stale w komórkach organizmów i są ściśle ze sobą powiązane.
Powstające w wyniku rozkładu związków organicznych substancje mogą być
wykorzystywane ponownie w procesach syntezy. Procesy anaboliczne i kataboliczne
zachodzą zarówno w komórkach roślin, jak i zwierząt. Rośliny jednak mają zdolność
syntetyzowania związków organicznych z prostych związków nieorganicznych i dlatego
nazywane są organizmami samożywnymi – autotrofami. Zwierzęta pobierać muszą gotowe
substancje organiczne i następnie dopiero wtedy przerabiać je na składniki swego ciała.
Zwierzęta są więc całkowicie uzależnione od autotrofów, nazywane są organizmami
cudzożywnymi – heterotrofami. Do organizmów samożywnych należą wszystkie rośliny
posiadające barwniki fotosyntetycznie czynne i pewna grupa bakterii (bakterie purpurowe i
zielone), które w procesie syntezy związków organicznych wykorzystują energię słoneczną.
Proces syntezy, w którym wykorzystywana jest energia słoneczna, nazywamy procesem
fotosyntezy. Fotosynteza polega na przyswajaniu węgla ze znajdującego się w powietrzu lub
wodzie dwutlenku węgla CO2 i przekształcaniu go w organiczne związki roślinne. W
procesie tym rośliny przekształcają energię świetlną w energię chemiczną, która
zmagazynowana jest w bogatych energetycznie związkach organicznych. Podstawowym
składnikiem wszystkich związków organicznych są atomy węgla. Zdolność węgla do
tworzenia z innymi pierwiastkami przeróżnych związków jest warunkiem powstania wielu
różnorodnych połączeń organicznych, które są źródłem energii zarówno dla samych roślin,
jak i dla organizmów zwierzęcych, a także dla człowieka. Jak już wyżej wspomniałem
fotosynteza to proces polegający na przemianie energii świetlnej w potencjalną energię
wiązań chemicznych. Całość fotosyntezy składa się z dwóch oddzielnych, lecz powiązanych
ze sobą faz: fazy świetlnej – złożonej z reakcji wymagających światła do swego przebiegu
(tzw. fotochemicznych) oraz z fazy ciemnej, złożonej z reakcji zachodzących bez udziału
światła, chociaż przy wykorzystaniu energii chemicznej powstałej jego kosztem, (tzw. reakcji
biochemicznych).
Faza świetlna fotosyntezy przebiega w membranach tylokoidów i polega na rozszczepieniu
(fotolizie) wody ( H 2 O) pod wpływem energii świetlnej pochłoniętej i przetworzonej przez
chlorofil. W wyniku rozszczepienia się wody wydziela się tlen (O2 ) , a ponadto uwalnia się

jon wodorowy ( H ) oraz elektron, co prowadzi do powstania „siły asymilacyjnej”, w skład
której wchodzą NADPH
2 - zawierający zapas wodoru z rozszczepienia wody – oraz ATP
będący „magazynem energii” pochodzącej ze światła. Oba te związki wytworzone w fazie
świetlnej fotosyntezy są pierwszymi trwałymi produktami przetworzenia energii świetlnej i
odgrywają zasadniczą rolę w drugiej fazie – ciemnej. Ta z kolei, zwana inaczej cyklem
fotosyntetycznej redukcji węgla, przebiega w stromie chloroplastów i polega na tym, że „siła
asymilacyjna” redukuje dwutlenek węgla. Podczas tego procesu „siła asymilacyjna” redukuje
grupę karboksylową, wytworzoną po związaniu CO , do grupy aldehydowej, czyli do
poziomu cukrów, następują na zmianę trzy etapy przemian:
 karboksylacja;
 redukcja;
 regeneracja.
Niektóre produkty regeneracji ulegają ponownej karboksylacji, wskutek czego przemiany
fazy ciemnej mają charakter cykliczny i noszą nazwę cyklu Calvina.
2
Rysunek przedstawiający proces przebiegu fotosyntezy.
H 2O
CO2
siła
(H)
2
1.karboksylacja
akceptor
Tak więc fotosynteza jest procesem służącym gromadzeniu się energii świetlnej w postaci
wysokoenergetycznych wiązań ATP (adenozynotrójfosforanu), a później innych związków,
jak choćby cukry, białka, czy też tłuszcze. Energia ta może być w dalszym etapie procesu
wykorzystywana. Aby to jednak uczynić organizm musi najpierw przeprowadzić proces
oddychania. Mówiąc o oddychaniu myślimy najczęściej o wymianie gazowej między
organizmem a środowiskiem, zapominając, że są to tylko zewnętrzne objawy procesów
oddechowych zachodzących we wszystkich komórkach ciała. Oddychanie jest procesem
utleniania cukrów lub innych substancji. Jest to proces zachodzący we wszystkich żywych
komórkach organizmów roślinnych i zwierzęcych, dzięki któremu zostaje uwolniona energia.
Stałego dopływu energii wymagają wszystkie procesy życiowe, jak wzrost, ruch,
rozmnażanie, pobudliwość. Zwierzęta stałocieplne potrzebują ponadto energii do utrzymania
stałej temperatury ciała. Energia wytwarza się w poszczególnych komórkach organizmu
dzięki spalaniu wysokoenergetycznych związków, które uprzednio zostały wytworzone i
zmagazynowane w komórkach. W procesach oddychania, które są reakcjami rozkładu
(katabolicznymi(, biorą udział enzymy. Kiedy proces oddychania przebiega w obecności tlenu
i jego końcowymi produktami są dwutlenek węgla i woda – mówimy o oddychaniu tlenowym.
Procesy oddychania zachodzić mogą również w warunkach beztlenowych, nazywamy je
wówczas oddychaniem beztlenowym lub fermentacją. Oddychanie tlenowe jest procesem
charakterystycznym dla większości roślin i zwierząt, a oddychanie beztlenowe dostarcza
energii niektórym bakteriom i niektórym grzybom. Oddychanie beztlenowe zdarza się
również i u zwierząt, np. u pasożytów przewodu pokarmowego. Fermentacja jest
energetycznie znacznie mniej wydajna od oddychania tlenowego. W produktach fermentacji
pozostaje wiele niewykorzystanej energii. Oddychanie, jako proces biochemiczny
wyzwalający energię, zachodzi w podobny sposób w komórkach roślin i zwierząt. Zarówno
przy oddychaniu tlenowym, jak i beztlenowym zasadniczymi związkami ulegającymi
utlenieniu są cukry, głównie glukoza. W warunkach beztlenowych następują przekształcenia
glukozy prowadzące do powstania kwasu mlekowego lub alkoholu etylowego. Takie
częściowe utlenienie jednej cząsteczki glukozy dostarcza tylko dwóch cząsteczek ATP. Jeżeli
produktem końcowym beztlenowego utleniania glukozy jest kwas mlekowy – proces ten nosi
nazwę glikolizy lub fermentacji mleczanowej.
C
H
O

2
CH

CH

COOH

2
ATP

2
H
O
6
12
6
3
2
glukoza|
OH
kwas mlekowy
Jeśli beztlenowe przemiany glukozy kończą się powstaniem alkoholu etylowego – mówimy o
fermentacji alkoholowej.
C
H
O

2
CH

CH

OH

2
ATP

2
CO

2
H
O
6
12
6
3
2
2
2
glukozaalkohol etylowy
Jeżeli komórki mają do dyspozycji pod dostatkiem tlenu, to przeprowadzają następny etap
oddychania, znacznie bardziej wydajny energetycznie niż glikoza. Przemiany glukozy kończą
się wówczas kwasem pirogronowym, który po odłączeniu CO2 zostaje przekształcony w
kwas octowy:
CH

C

COOH

CH

COOH

CO
3
3
2
|| kwas octowy
O
3
kwas pirogronowy
Kwas octowy łączy się z koenzymem A i tworzy jego estrową pochodną – acetylo – koenzym
A, która podlega dalszym przemianom. Przemiany te to szereg reakcji enzymatycznych
zwanych cyklem Krebsa lub cyklem kwasów trójkarboksylowych. Cykl Krebsa rozpoczyna
się połączeniem acetylo – koenzymu A z kwasem szczawianowym, w wyniku czego powstaje
kwas cytrynowy. Następnie odłączają się dwie cząsteczki CO2 , zachodzi regeneracja
szczawiooctanu. Ten z kolei przyłącza nową cząsteczkę acetylokoenzymu i tym samym
rozpoczyna się kolejny obrót cyklu. Niektóre etapy przemian tego cyklu przebiegają z
udziałem dehydrogenaz (enzymów katalizujących reakcję odwodorowania). Odłączone w
tych reakcjach atomy wodorów od substratów przenoszone są na ostateczny akceptor, którym
jest tlen. Reakcja wodoru z tlenem dostarcza dużej ilości energii. W żywym organizmie
przeniesienie wodoru na tlen odbywa się stopniowo za pośrednictwem szeregu przenośników.
Przenośniki te tworzą tzw. łańcuch oddechowy. Podczas przenoszenia wodoru w łańcuchu
oddechowym, uwalniane są kolejno niewielkie ilości energii, która jest magazynowana w
postaci wysokoenergetycznych wiązań ATP. Przeniesieniu na tlen jednej pary atomów
wodoru, a tym samym wytworzeniu cząsteczki wody, towarzyszy powstanie 2 lub 3
cząsteczek ATP.Całkowite utlenienie cząsteczki glukozy w komórce dysponującej
odpowiednią ilością tlenu, (po przejściu przez kolejne etapy przemian) dostarcza w sumie 38
cząsteczek ATP:
C
H
O

6
O

38
ATP

6
CO

6
H
O
6
12
6
2
2
2
.
Jeżeli zestawimy proces fotosyntezy i oddychania to zaobserwujemy pewne różnice.
Porównanie fotosyntezy i oddychania:
ODDYCHANIE
FOTOSYNTEZA
MIEJSCE PRZEBIEGU
Wszystkie żywe komórki
SUBSTANCJE WYJŚCIOWE
Tlen i substancje organiczne
KIEDY PRZEBIEGA
ENERGIA
WYNIK
Stale, w dzień i w nocy
Tylko na świetle
Uwalnia się
Gromadzi się
Ubytek masy rośliny lub Przyrost masy rośliny
zwierzęcia
Dwutlenek węgla i woda
Tlen i substancje organiczne
PRODUKTY KOŃCOWE
Tylko
komórki
roślin
zielonych
zawierające
chlorofil
Woda i dwutlenek węgla
Podsumowując należy przede wszystkim zauważyć, że dwa podstawowe dla życia procesy
metaboliczne – fotosynteza oraz oddychanie - mają charakter przemian energetycznych i
warunkują życie na Ziemi. Podstawowymi związkami energetycznymi, z których organizmy
uwalniają energię w czasie oddychania, są węglowodany. Około 1/3 węglowodanów
syntetyzowanych w czasie fotosyntezy zostaje zużyta przez rośliny we własnych procesach
oddechowych, a pozostała część jest wbudowywana w ciało roślin. Heterotrofy wykorzystują
bezpośrednio lub pośrednio tylko tę część energii, którą rośliny wbudowały w swoje tkanki.
Fotosynteza kumuluje więc energię świetlną w cukrach i innych zredukowanych związkach
organicznych, wykorzystując do ich syntezy produkty oddychania - CO2 i H 2 O . Oddychanie
zaś jako substrat wykorzystuje produkty fotosyntezy – zredukowane związki organiczne, z
których uwalnia energię, wiążąc ją częściowo w makroenergetycznych wiązaniach w ATP, a
w części uwalniając w postaci ciepła. W istocie więc można stwierdzić, iż energia słoneczna
4
skumulowana w czasie fotosyntezy w wiązaniach chemicznych związków organicznych jest
podczas oddychania uwalniana na skutek rozrywania tych wiązań.
I tak, skumulowana w jednym procesie energia słoneczna, uwalnia się w innym procesie, w
innym miejscu i w innym czasie. O ile fotosynteza zachodzi w dzień, to oddychanie w dzień i
w nocy. Ponieważ w czasie oddychania około 60% energii traci się w formie ciepła
wypromieniowywanego do otoczenia, więc układy przyrodnicze mogą funkcjonować tylko
dzięki ciągłemu dopływowi energii słonecznej do powierzchni Ziemi. Należy też pamiętać, że
energia, którą otrzymujemy dzisiaj spalając takie naturalne paliwa jak węgiel, torf, drewno
czy ropa naftowa, została zakumulowana w czasie fotosyntezy zachodzącej w minionych
procesach geologicznych. Ciepło, jakie powstaje w czasie spalania węgla, jest w zasadzie tą
częścią energii słonecznej, którą rośliny – akumulując – zatrzymały w swych tkankach w
okresie karbońskim.
5
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Pomiary elektr

2 Cards m.duchnowski

Prace Magisterskie

2 Cards Pisanie PRAC

Create flashcards