Fotosüntees: mõjutavad, pärssivad ja reaktsioonifaktorid
Definitsioon Fotosüntees
Fotosüntees on taimede, vetikate ja vetikate biokeemiline protsess toidu või energeetiliste ainete, nimelt glükoosi moodustamiseks. on vaja mitut tüüpi baktereid, mis kasutavad toitaineid, süsinikdioksiidi ning vett ja valgusenergiat päike. Peaaegu kõik elusolendid sõltuvad fotosünteesis tekkivast energiast. Fotosünteesi tagajärjel on elu maa peal hädavajalik.
Fotosünteesi arvele kuulub ka suurema osa hapniku tootmine Maa atmosfääris. Organismid, mis toodavad energiat fotosünteesi teelfotod tähenduses valgus) nimetatakse fototroofideks. Fotosüntees on üks süsiniku omastamise viis, kuna fotosünteesis seondub (fikseeritakse) CO2-st koosnev vaba süsinik suhkrutesse kui energiasalvestusmolekulidesse. Teine viis, kuidas organismid süsiniku omastavad, on kemosüntees, mille teostavad mitmed väävlibakterid.
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud: Fotosünteesi protsessi, reaktsiooni ja valemi selgitus
Fotosünteesi määra mõjutavad tegurid
Valgustugevus
Valgusel on kaks omadust, nimelt laineomadused ja osakeste omadused. Valguse osakeste olemus väljendub tavaliselt footonites ja kvantides, mis on energiapaketid, millel on oma omadused; Igal footonil on kindel lainepikkus. Iga footoni energia on pöördvõrdeline lainepikkusega, nii et lilla ja sinise valguse lainepikkused footoni energia on suurem kui oranži ja punase valguse lainepikkus (Sasmitamihardja, 1990).
Dwidjoseputro (1994) järgi saab meie silmadele nähtavat valgusspektrit kirjeldada selle lainekujuga, mida väljendatakse mµ-na.
| Lilla | Indigo | Sinine | Roheline | Kollane | Oranž | Punane |
| 430 µl | 470 µl | 500 m | 560 m | 600 m | 650 m | 760 µm |
Valguse neeldumise põhiprintsiipi nimetatakse Stark Einsteini seaduseks, mis ütleb, et iga molekul suudab korraga neelata ainult ühe footoni ja see footon põhjustab ainult ühe erutust elektron. Orbiidil stabiilses olekus olev elektron on tavaliselt erutatud, nihkunud põhiseisundist (orbiidist) eemal kaugusega (teise orbiidini) vastavalt footoni energiale, mis on imendumine. Kui footoni energiat neelav molekul on klorofülli molekul või mõni muu pigment, siis on molekul on siis põnevil ja seda ergutusenergiat kasutatakse fotosüntees. Klorofüll või muu pigment jääb tavaliselt lühikese aja jooksul erutatud olekusse 10–9 sekundit või vähem kaotab ergutusenergia, kui elektron naaseb oma orbiidile alguses.
Ühe footoni molekulis või aatomis indutseeritud ergutusenergiat saab kaotada kolmel viisil, nimelt (Sasmitamihardja, 1990):
- Energiat võib kaotada soojuse või soojuse kujul.
- Energiat võib osaliselt kaotada soojuse ja ülejäänud nähtava valgusena, mille lainepikkus on pikem kui neeldunud lainepikkus, mida nimetatakse fluorestsentsiks.
- Energiat saab kasutada keemilise reaktsiooni läbiviimiseks. Fotosüntees on kolmanda protsessi tulemus.
Mida väiksem on valgustugevus, seda väiksem on fotosünteesi kiirus, sest neelduv energia ei ole fotosünteesiks piisav. Lehe püütud lainepikkus määrab stomata suu laiuse. Mõnes uuringus leiti, et sinine ja punane valgus laiendavad stomata suud hästi, roheline ja kollane aga laienevad.
Süsinikdioksiidi kontsentratsioon
Fotosünteesi kiirust saab suurendada CO taseme tõstmisega2 õhk. Kui aga tase on liiga kõrge, võib see mürgitada või põhjustada stomaatide sulgemise, nii et fotosünteesi kiirus on häiritud.
Temperatuuritegur
Mida kõrgem temperatuur, seda suurem on fotosünteesi kiirus. Ensüümid, mis toimivad fotosünteesi protsessis, saavad töötada ainult optimaalsel temperatuuril. Üldiselt suureneb fotosünteesi kiirus temperatuuri tõustes kuni ensüümi taluvuspiirini.
Veesisaldus
Veepuudus või põud põhjustavad stomaatide sulgemist, pärssides süsinikdioksiidi imendumist, vähendades seeläbi fotosünteesi kiirust.
Klorofülli sisaldus
Klorofüll esineb roheliste teradena kloroplastides. Üldiselt on kloroplastid ovaalse kujuga, alusmaterjali nimetatakse stroomaks, samas kui selles sisalduvaid teri nimetatakse granaks.
Dwidjoseputro (1994) sõnul on klorofülli moodustumist mõjutavad tegurid:
- pärilik tegur. Nii klorofülli moodustumist kui ka teiste pigmentide, näiteks loomade ja inimeste moodustumist kannab kromosoomis teatud geen. Kui seda geeni pole, näib taim valge (albiino), nagu mais, mida albiino ei ela kaua.
-
Mõnes angiospermi idus võib klorofülli tekkida ilma valgust vajamata. Teistel pimedas kasvanud taimedel ei õnnestu klorofülli moodustada, nad muutuvad kahvatuks (kloroos) kollakas värvus, mis on tingitud klorofüll-a-le sarnase protoklorofülli olemasolust, mis sisaldab vähem kui 2 H aatomid. Liiga palju valgust mõjutab klorofülli halvasti. Tugeva valguse käes olev klorofülli lahus tundub vähem roheline. Seda näeme ka lehtedes, mis on pidevalt otsese valguse käes, nende värvus muutub kollakasroheliseks.
-
Pimedas kasvanud ja seejärel valguse kätte paigutatud idud ei suuda moodustada klorofülli, kui neile ei anta hapnikku.
-
Eriti suhkru kujul aitab see korofülli moodustumist lehtedel, millel on etioliseeritud kasv. Ilma suhkruta ei suuda lehed klorofülli toota.
-
Lämmastik, magneesium. Raud, mis moodustab klorofüllimaterjali, on muidugi tingimus sine qua non (peab). Nende ainete puudus põhjustab taimedes kloroosi.
-
Elemendid Mn, Cu, Zn. Kuigi klorofülli moodustumisel on see kogus vaid väike, kogeb taim kloroosi, kui neid elemente pole.
-
Veepuudus põhjustab klorofülli lagunemist, nagu seda esineb rohul ja puudel kuivaperioodil.
- 30 - 480 C on enamikus taimedes klorofülli moodustumiseks hea seisund, kuid parim on vahemikus 260 - 300 C.
Kollased lehed näitavad vähenenud klorofülli taset. See vähendab fotosünteesi kiirust. Taimsete klorofüllipigmentide valmistamiseks on vaja rauda (Fe), magneesiumi (Mg) ja lämmastikku (N).
Fotosünteesi sisu (fotosünteesi tulemus)
Kui fotosünteesi, näiteks suhkru tase väheneb, suureneb fotosünteesi kiirus. Kui fotosünteesi tase suureneb või isegi küllastub, väheneb fotosünteesi kiirus.
Kasvuetapp
Uuringud näitavad, et idanevates taimedes on fotosünteesi kiirus palju suurem kui küpsetes taimedes. Põhjuseks võib olla see, et idanevad taimed vajavad kasvamiseks rohkem energiat ja toitu.
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud: Fotosünteesi protsess ja fotosünteesi määra määravad tegurid vastavalt bioloogiateadustele
Peamised tegurid, mis määravad fotosünteesi kiiruse
Fotosünteesi protsessi mõjutavad mitmed tegurid, nimelt tegurid, mis võivad otseselt mõjutada, näiteks keskkonnatingimused samuti tegurid, mis otseselt ei mõjuta, näiteks mitme protsessi jaoks olulise elundi funktsiooni rikkumine fotosüntees.
Fotosünteesiprotsess on tegelikult tundlik mitmete keskkonnatingimuste, sealhulgas päikesevalguse, keskkonnatemperatuuri ja süsinikdioksiidi (CO2) kontsentratsiooni suhtes. Keskkonnategurites tuntakse seda kui piiravat tegurit ja sellel on otsene mõju fotosünteesi kiirusele. Nii et siin on peamised fotosünteesi määra määravad tegurid, nimelt:
Valgustugevus “kiirgus”, lainepikkus ja temperatuur
120. sajandi alguses uurisid Frederick Frost Blackman ja Albert Einstein valguse intensiivsuse "kiirguse" ja temperatuuri mõju süsiniku assimileerumise kiirusele. Selles uuringus on järeldused järgmised:
- Püsival temperatuuril varieerub süsiniku assimilatsiooni kiirus, heitkoguste suurenemisega algselt suureneb. Kõrgemate heitkoguste tasemel ei kesta see seos aga kaua ja süsiniku assimilatsiooni kiirus jääb konstantseks.
- Pideva emissiooni korral süsiniku assimilatsiooni kiirus suureneb, kui temperatuur tõuseb piiratud vahemikus. Seda efekti on näha ainult kõrgel heitetasemel. Madala heite korral ei mõjuta temperatuuri tõus süsiniku assimileerumise kiirust vähe.
Süsinikdioksiid ja fotorespiratsioon Tingkat
Kui süsinikdioksiidi kontsentratsioon suureneb, suureneb valgusest sõltuva reaktsiooni tulemusel tekkiva suhkru tase, kuni seda muud tegurid piiravad. Pimedas reaktsioonis süsinikdioksiidi suurendav ensüüm Rubisco seondub afiinselt süsiniku ja hapniku suhtes. Mis siis, kui süsinikdioksiidi kontsentratsioon on kõrge, fikseerib RuBisCo süsinikdioksiidi. Kui aga süsinikdioksiidi kontsentratsioon on madal, seob RuBisCo hapnikku, mitte süsinikdioksiidi. Mida selles protsessis nimetatakse fotorespiratsiooniks, mis kasutab energiat, kuid ei tooda suhkrut.
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud: Fotosüntees - määratlus, katse, protsess, tegur, valgus
Fotosünteesi kiirust pidurdavad tegurid
Valgus on taimedele kasulik, eriti energiana, mida kasutatakse fotosünteesi protsessis, milleks on toitainete moodustamine. Maa suurim valgusallikas on päikesevalgus. Päikesevalgus on fotosünteesi oluline tegur, samal ajal kui fotosüntees on protsess, mis on teiste ainevahetusprotsesside tekkimise võti kehas taim. Valguse mõju on ka igat tüüpi taimel erinev. C4, C3 ja CAM taimedel on erinevad füsioloogilised reaktsioonid päikesevalguse kiirituse intensiivsuse, kvaliteedi ja kestuse mõjule (Onrizal, 2009).
Valgus on lisaks temperatuurile, CO2 ja veele üks fotosünteesi piiravaid tegureid. Fotosünteesi kiirus on otseselt proportsionaalne päikesevalguse intensiivsusega. Siis mida suurem on päikesevalguse intensiivsus, mida taimed saavad vastu võtta, seda kiirem on mugulate moodustumise protsess ja hävitamise aeg. Kuid taimed ei neela kõiki lainepikkusi, ainult teatud taimede lainepikkused neelavad päikesevalgust (Samadi, 2007).
Valguse intensiivsuse mõju generatiivsele kasvule on seotud fotosünteesi kiirusega, mis on kõrvaldamise protsessi energiaallikas, mis toimub ka taimehormoonide mehhanismi kaudu. Päikesevalguse puudumine põhjustab fotosünteesi protsessi häireid, nii et vegetatiivsete ja generatiivsete organite moodustumise protsess on häiritud, mille tagajärjel ilmnevad taimedel etiolatsiooni sümptomid. Hävitamine on selliste taimede kasv, mis on nii kiire, kui taim asetatakse pimedasse kohta või kohtadesse, kus puudub päikesevalgus.
Hävitamist iseloomustavad mitmed sümptomid, näiteks:
- Taimed kasvavad pikkuse või kõrguse üsna kiiresti
- Taimede vartest ja lehtedest leitud rakuseinad muutuvad nõrgaks.
- Ühe ja teise segmendi vahel on etioliseeritud taimedel suurem vahemaa
- Kloroosi esinemine, mis on taimel klorofüllisisalduse puudumise tõttu kahvatu lehevärv.
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud: 4 aeroobne vs anaeroobne hingamine
Fotosünteesi heledad ja tumedad reaktsioonid
Fotosünteesi protsess jaguneb kaheks, nimelt valgusreaktsioonideks ja tumedateks reaktsioonideks. Kloroplastis tülakoidplaadil toimuvad valgusreaktsioonid toimivad ATP ja NADPH energia tootmise protsessina, mida kasutatakse pimedatesse reaktsioonidesse ja nende rakuvajadustesse sisenemiseks.
Siis tume reaktsioon, mis toimub stroomas. Kerge reaktsioon läbi Calvin-Benson-Basshami tsükli tekitab glükoosi, sahharoosi ja tärklist (tärklist), mis CO2 (süsiniku fikseerimine)
Valgusreaktsioonid fotosünteesis
Valgusreaktsioon: valgust sõltuv reaktsioon: fotosünteesi käigus toimuv valgusreaktsioon toimub tülakoidmembraanis. Tülakoidmembraani sees on luumen ja tülakoidmembraani välisküljel on stroom, kus toimuvad valgusreaktsioonid. Tülakoidmembraan sisaldab terviklikku membraanivalkude kompleksi, mis toimib valgusreaktsioonide katalüüsimisel. Tülakoidmembraanis on 4 tüüpi valgukomplekse, nimelt fotosüsteem II, tsütokroom b6f kompleks, I fotosüsteemi ja ATP süntetaas. Need 4 liiki valke töötavad koos taimedele vajaliku ATP ja NADPH tootmiseks.
Kaks fotosüsteemi, nimelt I ja II fotosüsteem, mängivad rolli päikeseenergia või footonite neeldumisel klorofüllipigmentide kaudu. Valgusreaktsioon algab II fotosüsteemi reageerimisel. Kui II fotosüsteemi reaktsioonikeskuses olev klorofüllipigment neelab footoneid, on selle molekuli elektronidel kõrge energia, mis põhjustab ebastabiilsust ja seejärel See põhjustab redoksahelreaktsiooni, kus elektronid liiguvad kõrgema energiataseme molekulist madalama energiatasemega molekuliks energia. Seda protsessi nimetatakse elektronide transpordiahelaks. Elektronid "voolavad" II fotosüsteemist tsütokroomi b6f I fotosüsteemi. I fotosüsteemis saab elektron taas energiat footonist (valgusenergia). Lõplik elektronide aktseptor on NADP. Hapniku fotosünteesi reaktsioonis on esimene elektronaktseptor vesi (fotolüüs), mis toodab jääkainena hapnikku. Kui hapnikuvaba fotosünteesi käigus kasutatakse mitmesuguseid elektronaktseptoreid.
Fotosünteesi kergetes reaktsioonides töötavad tsütokroomid ja ATP süntetaas koos ATP tootmiseks. Seda fotosünteesi valguse reaktsiooni protsessi nimetatakse fotofosforüülimiseks, mis toimub kahel viisil: tsükliline ja mittetsükliline. Mittetsüklilises fotofosforüleerimisel kasutab tsütokroom b6f valk fotosüsteemi II elektronide energiat stroomas prootonite pumpamiseks valendikuni. Tülakoidmembraani mööda kulgev prootonigradient loob prootoni-liikumapaneva jõu, mida ATP süntetaas kasutab ATP valmistamiseks. Kui tsüklilises fotofosforüülimises kasutab tsütokroom b6f valk I ja II fotosüsteemis olevate elektronide energiat, et tekitada rohkem ATP-d ja peatada NADPH tootmine. Tsükliline fotofosforüülimine on hädavajalik ATP loomisel ja NADPH õiges vahekorras hoidmisel, et hoida valgusreaktsioone ja fotosünteesi. Hapniku fotosünteesi valgusreaktsioonide reaktsiooni võrrand on järgmine:
2H2O + 2NADP ++ 3ADP + 3Pi → O2 + 2NADPH + 3ATP
Tume reaktsioon fotosünteesis
Tume reaktsioon (Calvin-Bensoni tsükkel) | Fotosüntees - stroomas tekivad tumedad reaktsioonid. Nimetatakse pimedaks reaktsiooniks, kuna see ei nõua protsessis valgusenergiat, kuid kasutab CO muundamiseks energiat ATP-d ja NADPH-d elektronide allikana2 süsivesikuteks (Ärge saage valesti aru, kui tume reaktsioon toimub pimedas, tume reaktsioon fotosünteesi protsessis toimub päeva jooksul enamikus taimedes (nii C3, C4 kui ka CAM taimedes, kuigi CAM-is on sisenemisprotsessis erinevusi CO2 st pimedas / öösel.
Fotosüntees vastutab NADPH ja ATP valmistamise eest ning Calvin Benson-Bassham (CBB) tsükkel kasutab neid kõrge energiaga molekule (ATP) glütseraldehüüd-3-fosfaadi (G-3-P) tootmiseks. Lisaks saab G-3-P-d heksoosisuhkrute sünteesimiseks, mis on heterotroofsete organismide peamised toitained.
I etapp Pime reaktsioon
Pimedas reaktsioonis CBB tsükli esimene etapp sarnaneb pentoosfosfaadi (PPP) raja isomeerimisetapiga. Selles reaktsioonis kasutatud ensüüm on punane (vt ülaltoodud pilti). Ensüüm rubisco (lühend lühendist ribuloosbisfosfaatkarboksülaas) katalüüsib ribuloos-1,5-bisfosfaadi karboksüülimisreaktsiooni kahes reaktsioonis. Esiteks peab ribuloos-1-5-bisfosfaat fosforüülima ensüüm fosforibulooskinaas. Selle karboksüülimisprotsessi tulemused on kaks 3-fosfoglütseraadi (3-fosfoglütseraadi) molekuli.
Tume reaktsiooni teine etapp
Tume reaktsiooni Calvin Bensoni tsükli teine etapp on sarnane, kuna see on osa glükoneogeneesi reaktsioonist.
- 3-fosfoglütseraat (3-fosfoglütseraat) fosforüülitakse ensüümi fosfoglütseraadi kinaasi abil, moodustades 1,3-bisfosfoglütseraadi.
- Lisaks redutseeritakse 1,3-bisfosfoglütseraati NADPH abil NADP + ja glütseraldehüüd-3-fosfaadi tootmiseks (Glütseraldehüüd-3-fosfaat), kasutades ensüümi glütseraldehüüd-3-fosfaatdehüdrogenaas (glütseraldehüüd-3-fosfaatdehüdrogenaas). iga 6 glütseraldehüüd-3-fosfaadi molekuli viiakse (eksporditakse) taimerakkude tsütoplasmasse kasutamiseks glükoosisünteesis ja radadel. muu ainevahetus.
Tume reaktsiooni kolmas etapp
Calvin-Benson-Bassham pimedas reaktsioonitsüklis on 3. etapp ribuloosi (ribuloosi) regenereerimine. See etapp on mõnevõrra sarnane ühe astmega pentoosfosfaadi rajal.
- Seejärel muundatakse olemasolev glütseraldehüüd-3-fosfaat trioosfosfaadi isomeraasi (trioosfosfaadi isomeraas) abil tagasi dihüdroksüatsetoonfosfaadiks (dihüdroksüatsetoonfosfaat / DHAP).
- Seejärel muundatakse dihüdroksüatsetoonfosfaat aldolaasi ja fruktoosbisfosfataasi (fruktoosbisfosfataas) abil fruktoos-6-fosfaadiks (fruktoos-6-fosfaat) (F-6-P). Aldolaas kondenseerib kaks DHAP molekuli, moodustades fruktoos-1,6-bisfosfaadi molekuli. Seejärel muundatakse fruktoos-1,6-bisfosfaat fruktoos-bisfosfaadiga fruktoos-6-fosfaadiks (F-6-P). Seejärel saab F-6-P muundada suhkruks kahe ensümaatilise raja kaudu, nimelt fosfoglükoisomeraasi ja glükoos-6-fosfataasi abil.
- Dihüdroksüatsetooni võib kombineerida ka erütroos-4-fosfaadiga, moodustades sedoheptuloos-1,7-bisfosfaadi (Sedoheptuloos-1,7-bisfosfaat / SBP). Seda reaktsiooni katalüüsib ka ensüüm aldolaas.
- Seejärel defosforüülitakse SBP sedoheptulaasbisfosfataasi abil, moodustades sedoheptulaas-7-fosfaadi (S7P).
- Ensüümide Transketolaas ja Transaldolaas kokkupanemisreaktsioonil moodustati ksüluloos-5
- Fosfaat (Xelulosa-5-fosfaat / X5P) ja Riboos-5-fosfaat (Riboos-5-fosfaat / R5P).
- Lõpuks isomeeritakse selles pimedas reaktsioonis X5P ja R5P ensüümide fosfopentoosi epimeraas ja fosfopentoosi isomeraas abil. ribuloos-5-fosfaadi (ribuloos-5-fosfaat) tootmiseks, mis võib seejärel korrata Calvin-Benson-Bassham tsüklit.
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud: Fotosüntees: reaktsioonid, näited, funktsioonid ja mõjutegurid
Fotosünteesi peamised funktsioonid
- Fotosünteesi põhiülesanne on toota taimede peamise energiaallikana glükoosi, moodustades selle glükoosi juuresolekul ka rasva- ja valguenergiaallika. Nüüd on need ained inimestele ja loomadele toiduallikaks, seetõttu on fotosünteesi protsess meie elus väga oluline.
-
Fotosünteesiprotsess võib õhku puhastada. Õhku puhastatakse süsinikdioksiidi imendumise ja hapniku tootmise teel. Nii kuuleme sageli puude istutamisest keskkonna puhastamiseks, sest seal toimub fotosüntees, mille kohaselt võivad puud olla kasulikud meie õhu puhastamiseks.
-
Taimede fotosünteesivõime nende eluajal muudab ülejäänud taimejäänused mulda mattunuks. Hunnik taimi muudab pika aja jooksul kivisöeks, mis on tänapäevases elus tooraine ja energiaallikas.