Fotosynteesi: Vaikuttavat, estävät ja reaktiotekijät
Määritelmä Fotosynteesi
Fotosynteesi on biokemiallinen prosessi elintarvikkeiden tai energia-aineiden, nimittäin glukoosin, muodostamiseksi, jonka kasvit, levät ja levät suorittavat tarvitaan useita bakteerityyppejä, jotka käyttävät ravinteita, hiilidioksidia sekä vettä ja valoenergiaa aurinko. Lähes kaikki elävät olennot riippuvat fotosynteesissä tuotetusta energiasta. Fotosynteesin seurauksena on välttämätöntä elämälle maan päällä.
Fotosynteesille hyvitetään myös suurin osa hapesta maapallon ilmakehässä. Organismit, jotka tuottavat energiaa fotosynteesin avullaValokuvat eli valoa) kutsutaan fototrofeiksi. Fotosynteesi on yksi tapa hiilen omaksumiseen, koska fotosynteesissä hiilidioksidista vapaa hiili sitoutuu (kiinteästi) sokereihin energian varastointimolekyyleinä. Toinen tapa, jolla organismit omaksuvat hiilen, on kemosynteesi, jonka suorittavat monet rikkibakteerit.
Lue myös artikkeleita, jotka saattavat olla yhteydessä toisiinsa: Selitys fotosynteesiprosessista, reaktiosta ja kaavasta
Fotosynteesinopeuteen vaikuttavat tekijät
Valon voimakkuus
Valolla on kaksi ominaisuutta, nimittäin aalto-ominaisuudet ja hiukkasten ominaisuudet. Valon hiukkasten luonne ilmaistaan yleensä fotoneina ja kvanteina, jotka ovat energiapaketteja, joilla on omat ominaisuutensa; Jokaisella fotonilla on tietty aallonpituus. Kunkin fotonin energia on kääntäen verrannollinen aallonpituuteen, joten purppuran ja sinisen valon aallonpituudet on fotonienergia suurempi kuin oranssin ja punaisen valon aallonpituus (Sasmitamihardja, 1990).
Dwidjoseputron (1994) mukaan silmiemme näkyvän valonspektrin voi kuvata sen aaltomuodolla, joka ilmaistaan mµ: nä.
Violetti | Indigo | Sininen | Vihreä | Keltainen | Oranssi | Punainen |
430 mµ | 470 mµ | 500 m | 560 m | 600 m | 650 m | 760 mµ |
Valon imeytymisen perusperiaatetta kutsutaan Stark Einsteinin laiksi, jonka mukaan jokainen molekyyli voi absorboida vain yhden fotonin kerrallaan, ja tämä fotoni saa aikaan vain yhden innoissaan elektroni. Elektroni, joka on vakaalla perustilassa kiertoradalla, on yleensä innoissaan, siirtynyt kaukana perustilasta (kiertoradalta) etäisyydellä (toiselle kiertoradalle) sen fotonin energian mukaan, joka on imeytyminen. Jos fotonin energian absorboiva molekyyli on klorofylli- tai jokin muu pigmentti, niin molekyyli on on sitten innoissaan tilassa, ja tätä viritysenergiaa käytetään fotosynteesi. Klorofylli tai muu pigmentti pysyy viritetyssä tilassa yleensä lyhyen aikaa 10-9 sekuntia tai vähemmän, viritysenergia menetetään, kun elektroni palaa kiertoradalleen alku.
Yksittäisen fotonin molekyylissä tai atomissa aiheuttama viritysenergia voidaan menettää kolmella tavalla, nimittäin (Sasmitamihardja, 1990):
- Energiaa voi menettää lämpönä tai lämpönä.
- Energiaa voidaan osittain menettää lämpönä ja loput näkyvänä valona, jonka aallonpituus on pidempi kuin absorboitu aallonpituus, nimeltään fluoresenssi.
- Energiaa voidaan käyttää kemiallisen reaktion suorittamiseen. Fotosynteesi on kolmannen prosessin tulos.
Mitä pienempi valon voimakkuus, sitä pienempi fotosynteesinopeus, koska absorboitunut energia ei riitä fotosynteesiin. Lehden vangitsema aallonpituus määrää stomata-suun leveyden. Joissakin tutkimuksissa havaittiin, että sininen ja punainen valo lisäävät voimakkaasti suuhun suun, kun taas vihreä ja keltainen valo laajenevat.
Hiilidioksidipitoisuus
Fotosynteesinopeutta voidaan lisätä lisäämällä CO-tasoa2 ilmaa. Jos taso on liian korkea, se voi kuitenkin myrkyttää tai aiheuttaa stomaten sulkeutumisen, jolloin fotosynteesin nopeus häiriintyy.
Lämpötilakerroin
Mitä korkeampi lämpötila, sitä korkeampi fotosynteesinopeus. Fotosynteesin aikana toimivat entsyymit voivat toimia vain optimaalisessa lämpötilassa. Yleensä fotosynteesinopeus kasvaa lämpötilan noustessa entsyymin toleranssirajaan saakka.
Vesipitoisuus
Veden tai kuivuuden puute aiheuttaa stomaten sulkeutumisen estäen hiilidioksidin imeytymistä ja vähentää siten fotosynteesinopeutta.
Klorofyllipitoisuus
Klorofylliä esiintyy kloroplastien vihreinä jyvinä. Yleensä kloroplastit ovat muodoltaan soikeat, perusmateriaalia kutsutaan stromaksi, kun taas sen sisältämiä jyviä kutsutaan granaksi.
Dwidjoseputron (1994) mukaan tekijät, jotka vaikuttavat klorofyllin muodostumiseen:
- perinnöllinen tekijä. Klorofyllin muodostumista samoin kuin muiden pigmenttien, kuten eläinten ja ihmisten, muodostumista kantaa tietty kromosomissa oleva geeni. Jos tätä geeniä ei ole läsnä, kasvi näyttää valkoiselta (albino), kuten maissi, jota albino ei elä kauan.
-
Joissakin Angiosperm-ituissa klorofylli voi muodostua ilman valoa. Muut pimeässä kasvatetut kasvit eivät onnistu muodostamaan klorofylliä, ne muuttuvat vaaleaksi (kloroosi) kellertävä väri johtuu klorofylli-a: n kaltaisen protoklorofyllin läsnäolosta, joka sisältää alle 2 H-atomia. Liian paljon valoa vaikuttaa huonosti klorofylliin. Voimakkaalle valolle altistunut klorofylliliuos näyttää vähemmän vihreältä. Voimme nähdä tämän myös lehdissä, jotka ovat jatkuvasti alttiina suoralle valolle, niiden väri muuttuu kellertävän vihreäksi.
-
Pimeässä kasvatetut ja sitten valoon asetetut idut eivät pysty muodostamaan klorofylliä, ellei sille anneta happea.
-
Erityisesti sokerin muodossa se auttaa korofyllin muodostumista lehdissä, joissa on etioloitua kasvua. Ilman sokeria lehdet eivät pysty tuottamaan klorofylliä.
-
Typpi, magnesium. Klorofyllimateriaalin muodostava rauta on tietysti edellytys sine qua non (must). Näiden aineiden puute aiheuttaa kasveissa kloroosia.
-
Elementit Mn, Cu, Zn. Vaikka määrä on vain pieni klorofyllin muodostuessa, jos näitä elementtejä ei ole, kasvi kokee myös kloroosia.
-
Veden puute johtaa klorofyllin hajoamiseen, kuten ruohossa ja puissa esiintyy kuivana vuodenaikana.
- 30 - 480 C on hyvä tila klorofyllin muodostumiselle useimmissa kasveissa, mutta paras on välillä 260-300 C.
Keltaiset lehdet osoittavat alentunutta klorofylliä. Tämä vähentää fotosynteesinopeutta. Kasviklorofyllipigmenttien valmistamiseksi tarvitaan rauta (Fe), magnesium (Mg) ja typpi (N) alkuaineita.
Fotosynteettinen sisältö (fotosynteesin tulos)
Jos fotosynteesin, kuten sokerin, tasot laskevat, fotosynteesin nopeus kasvaa. Kun fotosynteettitaso nousee tai jopa kyllästyy, fotosynteesinopeus laskee.
Kasvuvaihe
Tutkimukset osoittavat, että itävissä kasveissa fotosynteesinopeus on paljon suurempi kuin kypsissä kasveissa. Tämä voi johtua siitä, että itävät kasvit tarvitsevat enemmän energiaa ja ruokaa kasvamaan.
Lue myös artikkeleita, jotka saattavat olla yhteydessä toisiinsa: Fotosynteesiprosessi ja fotosynteesinopeuden determinantit biologisten tieteiden mukaan
Tärkeimmät tekijät, jotka määrittävät fotosynteesinopeuden
Fotosynteesin prosessiin vaikuttavat useat tekijät, nimittäin tekijät, jotka voivat vaikuttaa suoraan, kuten ympäristöolot samoin kuin tekijät, jotka eivät vaikuta suoraan, kuten useiden prosessille tärkeiden elintoimintojen häiriöt fotosynteesi.
Fotosynteesiprosessi on todella herkkä useille ympäristöolosuhteille, kuten auringonvalolle, ympäristön lämpötilalle ja hiilidioksidin (CO2) pitoisuudelle. Ympäristötekijöissä tätä kutsutaan rajoittavaksi tekijäksi ja sillä on suora vaikutus fotosynteesin nopeuteen. Joten tässä ovat tärkeimmät tekijät, jotka määräävät fotosynteesin nopeuden, nimittäin:
Valovoima "säteily", aallonpituus ja lämpötila
1200-luvun alkupuolella Frederick Frost Blackman ja Albert Einstein tutkivat valon voimakkuuden "Emittanssi" ja lämpötilan vaikutusta hiilen assimilaation nopeuteen. Tässä tutkimuksessa päätelmät ovat:
- Vakiolämpötilassa hiilen omaksumisnopeus vaihtelee päästöjen kasvaessa aluksi. Suuremmilla päästötasoilla tämä suhde ei kuitenkaan kestä kauan ja hiilen assimilaatioaste pysyy vakiona.
- Jatkuvalla päästöllä hiilen assimilaation nopeus kasvaa, kun lämpötila nousee rajoitetulla alueella. Tämä vaikutus näkyy vain korkeilla päästötasoilla. Pienillä päästöillä lämpötilan nousu ei juurikaan vaikuta hiilen omaksumisnopeuteen.
Hiilidioksidi ja valohengitys Tingkat
Hiilidioksidipitoisuuden kasvaessa valosta riippuvan reaktion tuottaman sokerin määrä kasvaa, kunnes muut tekijät rajoittavat sitä. Rubiscolla, entsyymillä, joka lisää hiilidioksidia pimeässä reaktiossa, on sitoutumisaffiniteetti hiileen ja happeen. Mikä kun hiilidioksidipitoisuus on korkea, RuBisCo kiinnittää hiilidioksidin. Jos hiilidioksidipitoisuus on kuitenkin pieni, RuBisCo sitoo happea eikä hiilidioksidia. Mitä tässä prosessissa kutsutaan valohengitykseksi, joka käyttää energiaa, mutta ei tuota sokeria.
Lue myös artikkeleita, jotka saattavat olla yhteydessä toisiinsa: Fotosynteesi - määritelmä, koe, prosessi, tekijä, valo
Tekijät, jotka estävät fotosynteesinopeutta
Valo on hyödyllinen kasveille, varsinkin energiana, jota käytetään fotosynteesiprosessiin, joka muodostaa ravinteita. Suurin valonlähde maan päällä on auringonvalo. Auringonvalo on tärkeä tekijä fotosynteesissä, kun taas fotosynteesi on prosessi, joka on avain muiden aineenvaihduntaprosessien esiintymiseen kehossa tehdas. Valon vaikutus on myös erilainen jokaiselle kasvilajille. C4-, C3- ja CAM-kasveilla on erilaiset fysiologiset reaktiot auringonvalon säteilytyksen voimakkuuden, laadun ja keston vaikutuksiin (Onrizal, 2009).
Valo on yksi fotosynteesin rajoittavista tekijöistä lämpötilan, CO2: n ja veden lisäksi. Fotosynteesinopeus on suoraan verrannollinen auringonvalon voimakkuuteen. Joten mitä suurempi auringonvalon voimakkuus kasveille voi tulla, sitä nopeammin mukuloiden muodostumisprosessi ja hävittämisaika ovat nopeampia. Kasvit eivät kuitenkaan absorboi kaikkia aallonpituuksia, vain tietyt kasvien aallonpituudet absorboivat auringonvaloa (Samadi, 2007).
Valon voimakkuuden vaikutus generatiiviseen kasvuun liittyy fotosynteesinopeuteen, joka on hävitysprosessin energialähde, joka tapahtuu myös kasvihormonien mekanismin kautta. Auringonvalon puute aiheuttaa fotosynteesiprosessin häiriintymisen siten, että vegetatiivisten ja generatiivisten elinten muodostumisprosessi häiriintyy, minkä seurauksena kasveilla on etiologian oireita. Hävitys on sellaisten kasvien kasvu, jotka ovat niin nopeita, kun kasvi asetetaan pimeään paikkaan tai paikkoihin, joista puuttuu auringonvaloa.
Tuhoamiselle on ominaista useita oireita, kuten:
- Kasvien pituus tai korkeus kasvaa melko nopeasti
- Kasvien varret ja lehdet löytyvät soluseinät heikentyvät.
- Yhden segmentin ja toisen välillä etioloitujen kasvien etäisyys on pidempi
- Kloroosin esiintyminen, joka on vaalean lehden väri kasvien klorofyllipitoisuuden puutteen seurauksena.
Lue myös artikkeleita, jotka saattavat olla yhteydessä toisiinsa: 4 Aerobinen vs anaerobinen hengitys
Valosynteesin vaaleat ja tummat reaktiot
Fotosynteesiprosessi on jaettu kahteen eli valoreaktioon ja pimeään reaktioon. Kloroplastissa tyloidilevyllä esiintyvät valoreaktiot toimivat ATP- ja NADPH-energian tuottamisprosessina, jota käytetään pimeisiin reaktioihin ja niiden solutarpeisiin.
Sitten stromassa tapahtuva pimeä reaktio. Calvin-Benson-Bassham-syklin kautta tapahtuva kevyt reaktio tuottaa glukoosia, sakkaroosia ja tärkkelystä (tärkkelystä), joka käyttämällä CO2 (hiilen kiinnitys)
Valoreaktiot fotosynteesissä
Valoreaktio: Valosta riippuva reaktio: Valoreaktio fotosynteesiprosessissa tapahtuu tylakoidikalvossa. Tylakoidikalvon sisällä on ontelo ja tyliakoidikalvon ulkopuolella on strooma, jossa valoreaktiot tapahtuvat. Tylakoidikalvo sisältää kiinteän kalvoproteiinikompleksin, joka toimii katalysoimalla valoreaktioita. Tylakoidikalvosta löytyy 4 tyyppistä proteiinikompleksia, nimittäin fotosysteemi II, sytokromi b6f-kompleksi, fotosysteemi I ja ATP-syntetaasi. Nämä 4 erilaista proteiinia tuottavat yhdessä kasvien tarvitsemaa ATP: tä ja NADPH: ta.
Kaksi valojärjestelmää, nimittäin fotosysteemi I ja II, ovat tärkeässä osassa absorboida aurinkoenergiaa tai fotoneja klorofyllipigmenttien kautta. Valoreaktio alkaa, kun fotosysteemi II reagoi. Kun fotosysteemin II reaktiokeskuksen klorofyllipigmentti absorboi fotoneja, tämän molekyylin elektroneilla on suuri energia aiheuttaen epävakautta ja sitten Tämä aiheuttaa redox-ketjureaktion, jossa elektronit siirtyvät korkeamman energiatason molekyylistä pienemmän energiatason molekyyliin energiaa. Tämä prosessi tunnetaan elektronien siirtoketjuna. Elektronit "virtaavat" valojärjestelmästä II sytokromiin b6f valojärjestelmään I. Valojärjestelmässä I elektroni saa energiaa taas fotonista (valoenergia). Lopullinen elektronin vastaanottaja on NADP. Hapen fotosynteesireaktiossa ensimmäinen elektronin vastaanottaja on vesi (fotolyysi), joka tuottaa happea jätetuotteena. Hapettoman fotosynteesin aikana käytetään erilaisia elektroneja.
Fotosynteesin valoreaktioissa sytokromit ja ATP-syntetaasi toimivat yhdessä ATP: n tuottamiseksi. Tätä prosessia fotosynteesin kevyessä reaktiossa kutsutaan fotofosforylaatioksi, joka tapahtuu kahdella tavalla: syklinen ja ei-syklinen. Ei-syklisessä fotofosforylaatiossa sytokromi b6f -proteiini käyttää fotosysteemi II -elektroneista peräisin olevaa energiaa protonien pumppaamiseen stromassa onteloon asti. Tylakoidikalvoa pitkin kulkeva protonigradientti luo protoni-motiivivoiman, jota ATP-syntetaasi käyttää ATP: n valmistamiseen. Syklisessä fotofosforylaatiossa sytokromi b6f -proteiini käyttää fotosysteemien I ja II elektronien energiaa lisäämään ATP: tä ja lopettamaan NADPH: n tuotannon. Syklinen fotofosforylaatio on välttämätöntä ATP: n luomisessa ja NADPH: n ylläpitämisessä oikeassa suhteessa valoreaktioiden ja fotosynteesin jatkamiseksi. Happisen fotosynteesin valoreaktioiden reaktion yhtälö on seuraava:
2H2O + 2NADP ++ 3ADP + 3Pi → O2 + 2NADPH + 3ATP
Tumma reaktio fotosynteesissä
Tumma reaktio (Calvin-Benson-sykli) | Fotosynteesi - Stromassa esiintyy tummia reaktioita. Kutsutaan pimeäksi reaktioksi, koska se ei vaadi valoa energiaa prosessissa, mutta käyttää ATP: tä energiana ja NADPH: ta elektronien lähteenä muuntamaan CO2 hiilihydraateiksi (Älä ymmärrä minua väärin, jos tumma reaktio tapahtuu pimeässä, tumma reaktio fotosynteesin prosessissa tapahtuu päivän aikana useimmissa kasveissa (sekä C3-kasveissa, C4-kasveissa että myös CAM: ssa, vaikkakin CAM-kasveissa on eroja saapumisprosessissa CO2 ts. pimeässä / yössä.
Fotosynteesi on vastuussa NADPH: n ja ATP: n valmistamisesta, ja Calvin Benson-Bassham (CBB) -sykli käyttää näitä korkean energian molekyylejä (ATP) glyseraldehydi-3-fosfaatin (G-3-P) tuottamiseen. Lisäksi G-3-P: tä voidaan syntetisoida heksoosisokereita, jotka ovat heterotrofisten organismien tärkeimpiä ravintoaineita.
Vaihe I Tumma reaktio
Pimeän reaktion CBB-syklin ensimmäinen vaihe on samanlainen kuin pentoosifosfaatti (PPP) -reitin isomerointivaihe. Tässä reaktiossa käytetty entsyymi on punainen (katso yllä oleva kuva). Rubisco-entsyymi (lyhenne sanoista ribuloosibisfosfaattikarboksylaasi) katalysoi ribuloosi-1,5-bisfosfaatin karboksylaatioreaktion kahdessa reaktiossa. Ensinnäkin ribuloosi-1-5-bisfosfaatti on fosforyloitava fosforibuloosikinaasientsyymillä. Tästä karboksylointiprosessista saadut tulokset ovat kaksi 3-fosfoglyseraattimolekyyliä (3-fosfoglyseraatti).
Pimeän reaktion toinen vaihe
Calvin Bensonin tummien reaktioiden syklin toinen vaihe on samanlainen kuin yksi glukoneogeneesin reaktioista.
- 3-fosfoglyseraatti (3-fosfoglyseraatti) fosforyloidaan fosfoglyseraattikinaasientsyymiä käyttäen 1,3-bisfosfoglyseraatin muodostamiseksi.
- Lisäksi 1,3-bisfosfoglyseraatti pelkistetään NADPH: lla NADP +: n ja glyseraldehydi-3-fosfaatin tuottamiseksi (Glyseraldehydi-3-fosfaatti) käyttäen glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasin (glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasi) entsyymiä. jokainen 6 glyseraldehydi-3-fosfaattimolekyyliä suoritetaan (viedään) kasvisolujen sytoplasmaan glukoosisynteesissä ja reiteissä. muu aineenvaihdunta.
Pimeän reaktion kolmas vaihe
Calvin-Benson-Basshamin pimeän reaktiosyklin vaihe 3 on ribuloosin (ribuloosa) regeneraatio. Tämä vaihe muistuttaa jonkin verran yhtä pentoosifosfaattireitin vaiheista.
- Läsnä oleva glyseraldehydi-3-fosfaatti muunnetaan sitten takaisin dihydroksiasetonifosfaatiksi (dihydroksiasetonifosfaatti / DHAP) trioosifosfaatti-isomeraasilla (trioosifosfaatti-isomeraasi).
- Sitten dihydroksiasetonifosfaatti muunnetaan fruktoosi-6-fosfaatiksi (fruktoosi-6-fosfaatti) (F-6-P) aldolaasin ja fruktoosibisfosfataasin (fruktoosibisfosfataasi) avulla. Aldolaasi kondensoi kaksi DHAP-molekyyliä fruktoosi-1,6-bisfosfaattimolekyylin muodostamiseksi. Sitten fruktoosi-1,6-bisfosfaatti muutetaan fruktoosi-6-fosfaatiksi (F-6-P) fruktoosi-bisfosfaatilla. F-6-P voidaan sitten muuttaa sokeriksi kahdella entsymaattisella reitillä, nimittäin fosfoglukoisomeraasin ja glukoosi-6-fosfataasin avulla.
- Dihydroksiasetoni voidaan myös yhdistää erytroosi-4-fosfaatin kanssa, jolloin muodostuu sedoheptuloosi-1,7-bisfosfaatti (sedoheptuloosi-1,7-bisfosfaatti / SBP). Tätä reaktiota katalysoi myös aldolaasientsyymi.
- SBP defosforyloidaan sitten sedoheptulaasibisfosfataasilla sedoheptulaasi-7-fosfaatin (S7P) muodostamiseksi.
- Transketolaasi- ja transaldolaasientsyymien muodostama kokoonpanoreaktio muodosti ksyluloosi-5: n
- Fosfaatti (Xelulosa-5-fosfaatti / X5P) ja riboosi-5-fosfaatti (Riboosi-5-fosfaatti / R5P).
- Lopuksi tässä pimeässä reaktiossa X5P ja R5P isomeroidaan käyttämällä entsyymejä fosfopentoosiepimeraasi ja fosfopentoosi-isomeraasi. ribuloosi-5-fosfaatin (ribuloosi-5-fosfaatti) tuottamiseksi, joka voi sitten toistaa Calvin-Benson-Bassham-syklin.
Lue myös artikkeleita, jotka saattavat olla yhteydessä toisiinsa: Fotosynteesi: Reaktiot, esimerkit, toiminnot ja vaikuttavat tekijät
Fotosynteesin päätoiminnot
- Fotosynteesin päätehtävänä on tuottaa glukoosia kasvien tärkeimpänä energialähteenä, tämän glukoosin läsnä ollessa muodostaa myös rasva- ja proteiinienergian lähteen. Nyt nämä aineet ovat ravinnon lähde ihmisille ja eläimille, joten fotosynteesiprosessi on erittäin tärkeä elämässämme.
-
Fotosynteesiprosessi voi puhdistaa ilman. Ilma puhdistetaan imemällä hiilidioksidia ja tuottamalla happea. Joten kuulemme usein puiden istuttamisesta ympäristön puhdistamiseksi, koska on olemassa fotosynteesiprosessi, jonka mukaan puista voi olla hyötyä ilman puhdistamisessa.
-
Kasvien fotosynteettinen kyky niiden elinaikanaan saa loput kasvijäämät haudatuksi maaperään. Pitkän ajan kasvien kasat tekevät siitä kivihiilen, joka on raaka-aine ja energialähde nykyaikaisessa elämässä.