Fotosyntéza a fyziologické děje s ní spojené

Úvod o fotosyntéze Fotosyntéza je jedním z dějů, bez kterých by život jen těžko existoval, a také jediný děj, který je schopen vytvářet organické látky z anorganických a vzdušný kyslík O2. Všechny organické látky rostlinného těla vznikají biochemickými procesy z H2O, CO2 a jednoduchých minerálních látek, které rostliny přijímají ze vzduchu listy nebo kořeny, a to právě díky fotosyntéze. Fotosyntéza, neboli fotosyntetická asimilace, se nazývá proto, že energii k syntéze (vzniku složitějších organických látek z jednoduchých minerálních - H2O, CO2) získává rostlina přeměnou energie světla (fotoautotrofie) - energie fotonů.Tyto fotony jsou zachycovány chlorofylem a,b, c, d fykocyanem, fykoerytrinem, xantofylem a karotenoidy. Energie, kterou tato barviva zachytí z fotonů, je dále předána chlorofylu a, který se zachyceným fotonem excitujem tj. uvolní energeticky bohatý elektron. Vlastní metabolické děje v rostlině můžeme rozdělit na anabolické – spojené s výstavbou látek (fotosyntéza) a katabolické – související s odbouráváním a rozkladem látek (dýchání). Fotosyntéza má dvě fáze: světlá část (probíhá na světle) tmavá část (probíhá za nepřístupu světla) – Calvinův cyklus.

Rostlinná buňka a její organely Je zřejmé, že jediné organismy schopné fotosyntézy jsou rostliny, a proto jejich buňky ( rostlinné buňky) jsou k tomu vybaveny organelami, bez kterých by fotosyntéza probíhat nemohla. Jsou to především: MITOCHONDRIE a CHLOROPLASTY. Chloroplasty jsou úložiště chlorofylu a některých dalších fotosyntetických barviv, které jsou důležité při procesu fotosyntézy. Mitochondrie jsou organely buněčného dýchání (opačný proces fotosyntézy).

Mitochondrie Tyto organely nacházející se v rostlinné buňce zajišťují buněčné dýchání.Jsou to tyčinkovité útvary opatřeny dvěma biomembránami. V buňce jich bývá až několik set.

Chloroplasty Tato organela rostlinné buňky slouží, jak již bylo zmíněno, jako úložiště chlorofylu a některých dalších fotosyntetických barviv. Chloroplast je ohraničen dvojitou biomembránou (vnější, vnitřní), která v chloroplastu uzavírá bílkovinnou plazmu – stroma. Ta obsahuje síť tylakoidů. Chlorofyly a převážná část kartenoidů se nachází v tylakoidních membránách. Tylakoidy naskládany stupňovitě na sebe a tvoří tzv. granu. Poměr mezi granálními a stromatálními tylakoidy je do značné míry ovlivněn vývojem chloroplastu a je závislý na světelných podmínkách. vnější biomembrána vnitní biomembrána stroma stromový tylakoid granový tylakoid

Barviva plastidů Mezi jednotlivá barviva plastidů, které při fotosyntéze zachycují fotony různé části barevného spektra jsou: chlorofyl a,b, c, d , fykocyan a fykoerytrin, xantofyly a karotenoidy. Chlorofyl a,b, c, d Průměrný list je tvořen zhruba 70 miliony buněk obsahujícími asi 5*109 chloroplastů a v každém z nich je zhruba 600 milionů molekul chlorofylu.Celkový počet molekul chlorofylů v průměrném listu je tedy 1018. Chlorofyly a,b zachycují fotony modrofialové a červené části spektra. Fykocyan, fykoerytrin Tato barviva zachycují při fotosyntéze fotony zelené a žluté části spektra. Xantofyly a karotenoidy Zkladní skelet karotenoidů je tvořen 40 atomy uhlíku a jeho kyslíkaté deriváty jsou právě xantofyly, které společně s karotenoidy zachycují fotony modrozelené části spektra.

Světlá fáze fotofosforylace fotolýza vody

Světlá fáze Tato část fotosyntézy je závislá na světle a to do takové míry, že bez něj nemůže probíhat. Jestliže mluvíme o světle, tak máme na mysli především světelnou energii fotonů, které se využívá právě v této fázi fotosyntézy. Takto získaná energie se uloží do rostlinných zásobníků energie tj. do ATP jako energie chemická.Tento krok se nazývá fotofosforylace. Fotofosforylace světelná energie(foton) chemická energie (ATP) teplo + = 75% 25% 100% Jak je zřejmé z grafu asi 75% světelné energie je uloženo v makroergních fosfátových vazbách ATP (chemická energie) a zbývajících 25% se mění v energii tepelnou, která je volná a uniká do prostředí – Zákon zachování hmotnosti a energie.

Světlá fáze Fotolýza vody – Hillova reakce Fotofosforylace ovšem není jediný děj, který při světlé fázi fotosyntézy probíhá. Energie uložená v zásobnících ATP se musí alespoň částečně zužitkovat, a proto následně po fotofosforylaci následuje další krok, při kterém již rostlina pracuje s chemickými látkami a ne pouze s energií. Tento krok se nazývá fotolýza vody. Fotolýza vody – Hillova reakce Při tomto ději rostlina pomocí světelné energie štěpí vodu na protony. Elektrony a jako vedlejší produkt vzbiká kyslík. Již zmíněný vodík po proběhnutí reakce okamžitě vyhledává CO2,aby mohl následně vytvořit glukózu (tmavá fáze). Souhrně lze rovnice světlé fáze zapsat, společně s excitací, takto: energie fotonů H2O 2H+ + 2e- + 1\2 O2 chlorofyl a

Tmavá fáze Calvinův cyklus neboli tmavá fáze narozdíl od světlé fáze tato část fotosyntézy nepotřebuje světlo, ale je samozřejmé, že i za přístupu světla probíhat může. I rychlost dvou fází se liší, přičemž tmavá je o poznání pomalejší než světlá. V průběhu tmavé fáze se redukuje řadou enzymatických reakcí oxid uhličitý vodíkem, který vznikl při fotolýze vody ve světlé fázi. Výsledkem tohoto děje je cukr (glukóza). Jako zdroj energie pro vazbu vodíku a oxidu uhličitého zde již nejsou fotony, ale zásobníky ATP, které se naplnily ve světlé fázi energetickou přeměnou. Provázanost všech dějů během fotosyntézy je naprosto přesná a ani jedna z látek nezůstane zcela nevyužitá Vznikající cukr je pak enzymatickými reakcemi přeměněn na stálé produkty fotosyntézy – organické asimiláty (škrob, tuky, bílkoviny,….) Rovnici již celé fotosyntézy lze souhrnně zapsat jako: energie fotonů – světlo glukóza 6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O asimilační barviva - energie z ATP

Faktory ovlivňující intenzitu fotosyntézy Tyto faktory můžeme rozdělit na vnější a vnitřní. Vnější Světlo Především jeho intenzita a kvalita (nejlépe probíhá fotosyntéza na červeném světle). Délka osvětlení U málo osvětlených rostlin blednou listy. Teplota Nejintenzivnější fotosyntéza probíhá mezi 25 – 30 °C. Obsah oxidu uhličitého ve vzduchu Obsah plynu ve vzduchu je stálý a menší kolísání fotosyntézu nenarušuje. Minimální nebo naopak maximální obsah oxidu uhličitého může fotosyntézu zastavit.

Faktory ovlivňující intenzitu fotosyntézy Vnější Dostatek vody a minerálních látek Vnitřní Množství chloroplastů v buňkách, celkový fyziologický stav a stáří rostliny.

Význam fotosyntézy Zářivá energie fotonů fotosyntéza CO2 + H2O Jak již bylo několikrát zmíněno, tak fotosyntéza rostlin je jediný děj schopný produkovat kyslík a absorbovat námi vydechovaný oxid uhličitý. V odhadech se uvádí, že ročně se díky fotosyntéze přemění 0,2 bilionu tun oxidu uhličitého.Vzhledem k tomu, že na každých šest molekul oxidu uhličitého vznikne šest molekul kyslíku, je také množství získaného kyslíku obrovské. Celková energie vyzařovaná Sluncem je velká, Země z ní zachytí pouze jednu miliardtinu, ze které se 40% odrazí zpět do vesmíru. I toto množství je minimální, když uvážíme, že na tvorbu asimilátů a fotosyntézu je k dispozici pouze 3% z této energie, je až neuvěřitelné, jak velké množství energie musí existovat když tak malé množství stačí k zabezpečení existence života na Zemi. Opakem fotosyntézy je buněčné dýchání, které probíhá po celých 24 hodin.V průběhu dne je redukováno fotosyntézou. Zářivá energie fotonů fotosyntéza CO2 + H2O Asimiláty + O2 dýchání energie

Fotosyntetické struktury Nejvýznamnější morfologickou strukturou rostlin adaptovanou pro zabezpečení celého komplexu procesů souhrnně označených jako fotosyntéza jsou listy. Listy již na pohled představují v rostlinné říši velice specifický orgán: tenké, aby maximálně zkrátily transportní dráhy při výměně plynů mezi listem a okolní atmosférou (především kyslík a oxid uhličitý) a zároveň disponují velkou plochou pro přijímání světelného záření a s ním spojené světelné energie fotonů.Z hlediska fyziologie fotosyntézy je velice důležitý také tvar listu jež se vyznačuje tzv. věnčitým typem. Poměr objemu a povrchu listu je asi 100x větší než u koule o objemu 1cm3.To vše je dáno tím, že vnitřní povrch listu je asi dvacetkrát větší než vnější povrch listu.Tuto skutečnost zajišťuje mimořádně plochý tvar vnitřních buněk listu. To vše jen dokazuje, že list je opravdu velmi specifický orgán dokonale přizpůsobený jednomu z nejdůležitějších přírodních procesu na kterém závisí přežití lidstva – fotosyntéze.

Fotosyntetické struktury

Skleníkový efekt a fotosyntéza Někdo by mohl bláhově tvrdit, že skleníkový efekt a fotosyntéza spolu vůbec nesouvisí a že jediné společné těchto dvou jevů je oxid uhličitý, který je skleníkovým plynem a zároveň výchozím bodem fotosyntézy. Právě v oxidu uhličitém je problém.V posledních tisíciletích byla koncentrace CO2 na Zemi poměrně stálá. Nyní, v období, kdy je skleníkový efekt globálním problémem lidstva, hrají hlavní roli nejen rostliny, ale také člověk. Od druhé poloviny minulého století se koncentrace oxidu uhličitého v ovzduší zvětšuje, což je dáno kácení deštných pralesů (plíce planety) a tím zmenšení plochy pro získávání kyslíku, ale také rozšiřující se povrchovou těžbou hornin a nerostných surovin. Současně se tak ničí přirozená biosféra. Důsledkem růstu skleníkových plynů (vodní páry, oxid uhličitý, ozon, freon,…..) bude v budoucnu zvýšena teplota atmosféry o 2 - 5 °C – SKLENÍKOVÝ EFEKT – GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ.

Prameny Procházka – Fyziologie rostlin, Academica, 1998 Jelínek - Biologie pro gymnázia, nakladatelství Olomouc, 2005 Kincl, Krpeš – Základy fyziologie rostlin, Scientica, 2000 Jeník, Pazourek – Botanika, SPN 1981 Hančová, Vlková – Biologie v kostce, Fragment 1997