SVĚTELNÁ FÁZE FOTOSYNTÉZY: MECHANISMUS A PRODUKTY - BIOLOGIE - 2025

Lehká fáze fotosyntézy je, že část fotosyntetického procesu, který vyžaduje přítomnost světla. Světlo tedy zahajuje reakce, které vedou k přeměně části světelné energie na chemickou energii.

Biochemické reakce se vyskytují u tyropanů chloroplastů, kde se nacházejí fotosyntetické pigmenty, které jsou excitovány světlem. Jedná se o chlorofyl a, chlorofyl b a karotenoidy.

Světlá a tmavá fáze. Maulucioni, z Wikimedia Commons

K reakcím na světlo závisí několik prvků. Je nutný světelný zdroj ve viditelném spektru. Stejně tak je nutná přítomnost vody.

Konečným produktem světelné fáze fotosyntézy je tvorba ATP (adenosintrifosfát) a NADPH (nikotinamid adenindinukleotidfosfát). Tyto molekuly se používají jako zdroj energie pro fixaci CO ₂ ve fázi tmy. Stejně tak, v této fázi, O ₂ se uvolní, což je produkt rozpadu H ₂ O molekuly.

Požadavky

Aby se ve fotosyntéze objevily reakce závislé na světle, je nutné porozumět vlastnostem světla. Rovněž je nutné znát strukturu příslušných pigmentů.

Světlo

Světlo má vlastnosti vln i částic. Energie přichází na Zemi ze slunce ve formě vln různých délek, známých jako elektromagnetické spektrum.

Asi 40% světla, které dopadá na planetu, je viditelné světlo. Toto je nalezeno ve vlnových délkách mezi 380-760 nm. Zahrnuje všechny barvy duhy, každá s charakteristickou vlnovou délkou.

Nejúčinnější vlnové délky pro fotosyntézu jsou vlnové délky od fialové do modré (380-470 nm) a od červené-oranžové do červené (650-780 nm).

Světlo má také částečné vlastnosti. Tyto částice se nazývají fotony a jsou spojeny se specifickou vlnovou délkou. Energie každého fotonu je nepřímo úměrná jeho vlnové délce. Čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je energie.

Když molekula absorbuje foton světelné energie, jeden z jeho elektronů je pod napětím. Elektron může opustit atom a být přijímán akceptorovou molekulou. K tomuto procesu dochází ve světelné fázi fotosyntézy.

Pigmenty

V tylakoidní membráně (struktura chloroplastu) jsou různé pigmenty se schopností absorbovat viditelné světlo. Různé pigmenty absorbují různé vlnové délky. Tyto pigmenty jsou chlorofyl, karotenoidy a fycobiliny.

Karotenoidy dávají žluté a oranžové barvy přítomné v rostlinách. Fycobiliny se vyskytují v sinicích a červených řasách.

Chlorofyl je považován za hlavní fotosyntetický pigment. Tato molekula má dlouhý hydrofobní uhlovodíkový ocas, který ji udržuje připojenou k thylakoidové membráně. Kromě toho má porfyrinový kruh, který obsahuje atom hořčíku. V tomto prstenci je absorbována světelná energie.

Existují různé typy chlorofylu. Chlorofyl a je pigment, který nejvíce přímo zasahuje do světelných reakcí. Chlorofyl b absorbuje světlo při různé vlnové délce a přenáší tuto energii na chlorofyl a.

V chloroplastu se nachází přibližně třikrát více chlorofylu a než chlorofyl b.

Mechanismus

-Fotografie systémy

Molekuly chlorofylu a další pigmenty jsou v thylakoidu uspořádány do fotosyntetických jednotek.

Každá fotosyntetická jednotka se skládá z 200 až 300 chlorofylu a molekul, malého množství chlorofylu b, karotenoidů a proteinů. Existuje oblast zvaná reakční centrum, což je místo, které využívá světelnou energii.

Obrázek: Lehká fáze fotosyntézy. Autor: Somepics.

Ostatní přítomné pigmenty se nazývají anténní komplexy. Mají funkci zachycování a předávání světla do reakčního centra.

Existují dva typy fotosyntetických jednotek, nazývané fotosystémy. Liší se tím, že jejich reakční centra jsou spojena s různými proteiny. Způsobují mírný posun jejich absorpčních spekter.

Ve fotosystému I má chlorofyl a spojený s reakčním středem absorpční pík 700 nm (P ₇₀₀). Ve fotosystému II se absorpční pík vyskytuje při 680 nm (P ₆₈₀).

-Folýza

Během tohoto procesu dochází k rozkladu molekuly vody. Fotosystém II se účastní. Foton světla zasáhne molekulu P ₆₈₀ a pohání elektron na vyšší energetickou úroveň.

Vzrušené elektrony jsou přijímány molekulou pheophytin, což je interní akceptor. Následně procházejí tylakoidní membránou, kde jsou přijaty molekulou plastochinonu. Elektrony jsou nakonec přeneseny do P ₇₀₀ fotosystému I.

Elektrony, které se vzdaly P _680, jsou nahrazeny jinými z vody. K rozkladu molekuly vody je nutný protein obsahující mangan (protein Z).

Když je H ₂ O přerušena, uvolní se dva protony (H ⁺) a kyslík. Pro _uvolnění jedné molekuly O ₂ jsou vyžadovány dvě molekuly vody.

-Fosforylace

V závislosti na směru toku elektronů existují dva typy fotofosforylace.

Necyklická fotofosforylace

Jsou zapojeny oba fotosystémy I a II. Říká se tomu necyklický, protože tok elektronů jde pouze jedním směrem.

Když jsou molekuly chlorofylu vzrušené, elektrony se pohybují přes elektronový transportní řetězec.

Začíná ve fotosystému I, když je foton světla absorbován molekulou P ₇₀₀. Vzrušený elektron je přenesen do primárního akceptoru (Fe-S) obsahujícího železo a sulfid.

Pak jde na molekulu ferredoxinu. Následně elektron přechází na transportní molekulu (FAD). Tím se získá molekula NADP ^+, která ji redukuje na NADPH.

Elektrony přenesené fotosystémem II ve fotolýze nahradí ty, které byly přeneseny P ₇₀₀. K tomu dochází prostřednictvím transportního řetězce tvořeného pigmenty obsahujícími železo (cytochromy). Kromě toho se jedná o plastocyaniny (proteiny, které představují měď).

Během tohoto procesu vznikají molekuly NADPH i ATP. Při tvorbě ATP zasahuje enzym ATPsyntetáza.

Cyklická fotofosforylace

Vyskytuje se pouze ve fotosystému I. Když jsou molekuly reakčního centra P ₇₀₀ vzrušeny, elektrony jsou přijímány molekulou P ₄₃₀.

Následně jsou elektrony začleněny do transportního řetězce mezi dvěma fotosystémy. V tomto procesu se produkují molekuly ATP. Na rozdíl od necyklické fotofosforylace není NADPH produkován a O ₂ není uvolňován.

Na konci procesu přenosu elektronů se vracejí do reakčního centra fotosystému I. Z tohoto důvodu se nazývá cyklická fotofosforylace.

Konečné výrobky

Na konci světelné fáze je O ₂ uvolňován do prostředí jako vedlejší produkt fotolýzy. Tento kyslík vychází do atmosféry a používá se při dýchání aerobních organismů.

Další konečný produkt z lehké fáze je NADPH, koenzym (část non-protein enzymu), která se bude podílet na fixaci CO ₂ během Calvin cyklu (tmavé fáze fotosyntézy).

ATP je nukleotid používaný k získání potřebné energie potřebné pro metabolické procesy živých bytostí. To je spotřebováno při syntéze glukózy.

Reference

1. Petroutsos D. R Tokutsu, S Maruyama, S Flori, Greiner, L Magneschi, L Cusant, T Kottke. M Mittag, P Hegemann, G Finazzi a J Minagaza (2016) Fotoreceptor s modrým světlem zprostředkovává regulaci zpětné vazby fotosyntézy. Nature 537: 563-566.
2. Salisbury F a C Ross (1994) Plant Physiology. Grupo Editorial Iberoamérica. Mexico DF. 759 pp.
3. Solomon E, L Berg a D Martín (1999) Biology. Páté vydání. MGraw-Hill Interamericana Editori. Mexico DF. 1237 pp.
4. Stearn K (1997) Úvodní biologie rostlin. WC Brown Publishers. POUŽITÍ. 570 pp.
5. Yamori W, T Shikanai a A Makino (2015) Cyklický tok elektronů fotosystémem I prostřednictvím chloroplastového komplexu typu NADH dehydrogenázy plní fyziologickou roli při fotosyntéze při slabém světle. Nature Scientific Report 5: 1-12.