FOTOSINTEZA

FOTOSINTEZA

Fotosinteza este procesul prin care plantele verzi sintetizeaza substante organice de tip glucoza din substante minerale (H₂O +CO₂), cu ajutorul energiei luminoase absorbita de pigmentii clorofilieni si carotenoizi. Acest proces are loc doar in celulele care poseda cloroplaste, cu exceptia algelor albastre - verzi si bacteriilor purpurii care fac fotosinteza desi nu poseda cloroplaste; aceste organisme P_k poseda insa molecule de clorofila a integrate in membranele fotosintetizatoare.

ECUATIA FOTOSINTEZEI

6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6CO₂ + 6H₂O

ROLUL PIGMENTILOR FOTO - SINTETIZATORI:

Pigmentii fotosintetizatori sunt:

Ø    pigmentii clorofilieni;

Ø    pigmentii carotenoizi;

Ø    pigmentii ficobilinici.

Pigmentii absorb cuante de lumina stabilind premisa esentiala pentru desfasurarea procesului de fotosinteza.

Rolul pigmentilor in fotosinteza a fost pus in evidenta cand s-a demonstrat ca procesul se desfasoara numai la lumina si in partile verzi ale plantelor.

In procesul de adaptare la conditiile de mediu, plantele si-au elaborat un sistem de pigmenti capabili sa utilizeze radiatiile care se gasesc din belsug in mediul de viata.

Algele verzi si plantele superioare verzi, care traiesc in medii bogate in radiatii de la ambele capete ale spectrului vizibil, adica rosii, albastre, violete, si-au dezvoltat preponderent anumiti pigmenti, in special cei din grupa clorofilelor.

Algele brune, bacteriile purpurii, algele rosii si albastre, care traiesc in medii bogate in radiatii din mijlocul spectrului, adica galbene, verzi, albastre, si-au dezvoltat cu preponderenta pigmentii carotenoizi (ficobilinele).

In fotosinteza pot fi utilizate nu doar radiatiile absorbite de clorofila, ci si cele absorbite de carotenoizi.

La plantele care prin fotosinteza produc O₂, numai clorofila a este in stare sa transmita energia luminoasa necesara reactiilor care duc la reducerea CO₂ in fotosinteza.

Energia luminoasa absorbita de ceilalti pigmenti nu poate fi utilizata decat daca, in prealabil, a fost transmisa clorofilei a. Energia luminoasa absorbita de clorofila b si de ficobiline este in intregime transferabila clorofilei a.

Pigmentii galbeni au rol in apararea celulelor impotriva efectelor fotooxidarii. Oricat de variat ar fi acest echipament de pigmenti, compozitia lui este unitara si consta in: 1-2 clorofile si mai multi pigmenti suplimentari.

Clorofila se gaseste in toate organismele autotrofe, inclusiv la unele bacterii.

Cantitatea de clorofila a depinde de conditiile mediului inconjurator. Clorofila a este o substanta organica in compozitia careia intra magneziul, iar formula bruta este: C₅₅H₇₂O₅N₄Mg.

Clorofila b se gaseste in cloroplaste impreuna cu clorofila a. Ea lipseste la algele brune, albastre, rosii si la diatomee. Clorofila b are urmatoarea formula bruta C₅₅H₇₀O₆N₄Mg.

Proportia dintre clorofila a si clorofila b in frunzele plantelor este constanta.

Formarea pigmentilor clorofilieni:

Are loc in anumite conditii de lumina si de temperatura si depinde:

Ø    starea citoplasmei:

Ø    aprovizionarea cu glucide;

Ø    anumite elemente minerale.

Plantele crescute in lipsa de lumina - plantele etiolate - au culoare galben - verzuie, iar prin expunerea lor la lumina timp de 1 minut, se sintetizeaza pigmentii clorofilieni. La aceste plante, pe langa pigmentii galbeni, exista un pigment numit protoclorofila. La lumina ea se transforma usor in clorofila. Se gaseste sub doua forme: protoclorofila a si protoclorofila b.

Clorofila a provine din protoclorofila a, iar clorofila b provine din protoclorofila b.

Protoclorofila are in molecula sa cu doi atomi de H₂ mai putin decat clorofila. Cantitatea de protoclorofila scade in timpul formarii pigmentilor clorofilieni, care se reinnoiesc continuu in organele verzi. Sinteza lor are loc in toate radiatiile spectrului vizibil incepand cu raze cu lungimi de unda de 680nm si sfarsind cu cele cu lungimi de unda de 400nm.

Fe este necesar in sinteza pigmentilor verzi deoarece are actiune catalitica in formarea clorofilei, iar in absenta lui plantele devin clorotice - lipsite de clorofila.

Proprietatile pigmentilor clorofilieni:

Ø    substante microcristaline;

Ø    insolubili in apa

Ø    solubili in : alcool etilic, alcool metilic, eter, acetona, cloroform

Ø    fluorescenta: proprietatea solutiei de a avea o culoare verde prin transparenta si rosie reflexie; dureaza atata timp cat razele soarelui actioneaza asupra solutiei;

Ø    spectrul de absorbtie al clorofilei a este diferit de cel al clorofilei b, in functie de concentratia solutiei. In solutii diluate, clorofila a are banda de absorbtie puternica in rosu, o banda ingusta in verde si una intensa in albastru. Clorofila b, in solutie diluata are aproape aceleasi benzi, iar in solutie concentrata prezinta doua benzi de absorbtie: una intensa in rosu - portocaliu si galben si alta in albastru - indigo si violet.

Desfasurarea fotosintezei:

Fotosinteza este un proces complex reprezentat printr-un lant de reactii de oxido - reducere, care cuprinde 2 faze strans legate intre ele:

Ø    faza de lumina;

Ø    faza de intuneric.

Faza de lumina:

Cuprinde reactii de oxido - reducere care necesita prezenta luminii. Toate aceste reactii au loc pe membrana tilacoidala din structura cloroplastului si depind de activitatea pigmentilor fotosintetizatori.

La toate organismele vegetale, inclusiv la cianobacterii, in membranele tilacoidale, exista doua fotosisteme: I si II, care functioneaza seriat. Fiecare dintre ele contin cca. 300 de molecule de clorofila ce capteaza energia solara. Aceasta este transmisa intr-un centru de reactie reprezentat de o molecula de clorofila a.

In fotosistemul I molecula de clorofila a numita P₇₀₀ absoarbe radiatii cu lungimea de unda 700nm.

In fotosistemul II o molecula de clorofila a numita P₆₈₀ utilizeaza radiatia cu lungimea de unda 680nm.

Clorofila din fotosistemul II inlocuieste electronii pierduti cu cei proveniti din fotoliza apei.

H₂O → 2H⁺ + 1/2O₂ ↑(se elimina in atmosfera)

Electronii si protonii produsi prin fotoliza apei sunt utilizati pentru reducerea NADP.

2H⁺ + 2e^- + NADP⁺ → NADPH + H⁺

ATP si NADPH care rezulta in faza de lumina furnizeaza energiea ce va fi utilizata pentru faza de intuneric.

Faza de lumina:

Are loc in stroma cloroplastului la lumina sau la intuneric. In cursul acestei reactii, CO₂ este redus la glucide pe parcursul unei cai metabolice numita ciclul Calvin. In acest proces ATP furnizeaza energia necesara, in timp ce NADPH, ionii de H si electronii, pentru a reduce carbonul din forma sa oxidata - CO₂ - la cea redusa din molecula de glucoza (C₆H₁₂O₆

Moleculele de glucoza sunt utilizate in diverse procese vitale, care au loc la nivel celular, precum:

Ø     convesia in zaharoza, amidon, celuloza;

Ø     transformarea in substante lipidice;

Ø     transformarea in substante mai simple precum alcooli, fenoli, acizi organici,etc.

La bacteriile fotoautotrofe, procesul de fotosinteza se deosebeste in parte prin natura pigmentilor utilizati (bacterioclorofila si bacteriorodopsina) si a sursei de H₂: H₂S, alcoolul, alte combinatii organice diferite de cele utilizate de plante.

Faza de lumina	Faza de intuneric
Membrana tilacoidala	Stroma cloroplastului
O2 H2O	CO2 C6H12O6

Influenta factorilor de mediu asupra fotosintezei

Intensitatea fotosintezei este influentata de un complex de factori precum: lumina, concentratia CO₂, temperatura, apa, sarurile minerale.

Influenta luminii asupra fotosintezei:

Lumina reprezinta sursa de energie care determina in mare masura desfasurarea fotosintezei. Fotosinteza incepe la o lumina slaba, dar este mascata de respiratie si abia la o iluminare de 100 - 500 lucsi ea depaseste acest stadiu si devine aparenta. Ca factor extern, lumina, influenteaza fotosinteza prin intensitate si compozitie. In natura intensitatea luminii se schimba in limite foarte largi.

Ø     La mijlocul zilelor de vara ea ajunge la 100000 lucsi:

Ø     In timpul noptii scade la 0 sau cateva zecimi de lucsi.

Grosimea stratului de aer si de nori influenteaza intensitatea luminii. Fotosinteza creste in intensitate pana la 50000 lucsi si ramane constanta pana la 100000 lucsi, dupa care scade datorita vatamarii protoplasmei celulare.

La plantele verzi intensitatea fotosintezei e mare la razele rosii din spectrul luminii.

Influenta CO₂ asupra fotosintezei:

In compozitia aerului, CO₂ participa numai cu 0,03 %. CO₂ din aer provine din: respiratia plantelor si animalelor, fenomene vulcanice si arderea combustibililor.

Concentratia CO₂ se mentine constanta datorita fotosintezei. In decursul a 24h, concentratia CO₂ in aer scade putin peste zi din cauza fotosintezei, iar noaptea creste usor din cauza respiratiei organismelor.

In decursul anului concentratia CO₂ in aer creste putin la inceputul primaverii si toamnei din cauza respiratiei intense a microorganismelor din sol si a reducerii in intensitate a fotosintezei. Vara are loc o scadere a concentratiei CO₂ din cauza intensitatii mari a fotosintezei.

Din aerul inconjurator, CO₂ patrunde in funze prin epiderma si ostiolele stomatice si ajunge in camerele stomatice. De aici prin spatiile intercelulare ajunge la celulele palisadice ale frunzei si apoi la cloroplaste unde este utilizat in fotosinteza.

Plantele submerse iau CO₂ din apa in care se gaseste dizolvat sub forma de acid carbonic.

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Din apa moleculele de CO₂ si H₂CO₃ strabat epiderma, spatiile mari intracelulare, membranele celulelor si ajung in citoplasma la cloroplaste,

Cresterea concentratiei de CO₂ de la 0,03 % la 10 - 15 % determina cresterea intensitatii fotosintezei cu 2 - 5 % dupa care scade datorita actiunii toxice a acestuia asupra citoplasmei.

Limita inferioara a concentratiei CO₂ din aer la care are loc fotosinteza e cuprinsa intre 0,08 - 0,11 %.

Influenta temperaturii asupra fotosintezei:

Temperatura influenteaza in special faza de intuneric, iar optimul termic caracterizeaza fiecare specie de plante. Temperatura optima a fotosintezei variaza intre 25- 30⁰ C.

La plantele de origine nordica (cartoful), temperatura optima a fotosintezei variaza intre 25 - 30⁰ C, iar la cele de origine sudica (rosii, castraveti), temperatura este de 35 - 40⁰ C.

Limita inferioara a temperaturii la care are loc fotosinteza este situata la cele mai multe plante in jurul valorii de 0⁰ C, iar la conifere, fotosinteza poate avea loc si la temperaturi mai joase precum -6⁰ C.

Influenta apei asupra fotosintezei:

Apa este absolut necesara ca materie prima pentru sinteza zaharurilor, in mentinerea activitatii normale a celulelor, organelor asimilatoare, citoplasmei si enzimelor.

Fotosinteza creste proportional cu continutul de apa pana la 70 % din greutatea proaspata; peste aceasta cantitate de apa, intensitatea fotosintezei scade progresiv din cauza greutatii de difuziune a gazelor in urma micsorariispatiilor intercelulare.

La deficite mari de apa are loc o crestere a vascozitatii citoplasmei celulare, enzimele actioneaza in sens hidrolizant, intensitatea respiratiei creste, iar gradul de deschiderea stomatelor se micsoreaza.

Daca cantitatea de apa scade foarte mult, atunci se va reduce si intensitatea fotosintezei.

Influenta sarurilor minerale asupra fotosintezei:

Sarurile de amoniu, sulfat, azotat, fosfat, au o influenta pozitiva asupra fotosintezei, dar numai in concentratii optime. La concentratii mai mari decat optimul, are loc scaderea in intensitate a fotosintezei, cu atat mai accentuata cu cat concentratia este mai mare. Actiune de inhibare se datoreaza in special deshidratarii citoplasmei.

Sarurile minerale actioneaza atat asupra fotosintezei in general, si a sintezei unor aminoacizi in special, cat si asupra maririi suprafetei foliare.

Influenta poluarii asupra fotosintezei:

Fotosinteza este diminuata sau chiar intrerupta de efectele poluarii precum:

Ø     ploile acide - modifica aciditatea naturala a solului;

Ø     concentratiile mari de fosfati;

Ø     gazele industriale;

Ø     smogul - blocheaza stomatele si reduce fotosinteza.

Influenta oxigenului asupra fotosintezei:

Concentratia de peste 21 % a O₂, scade intensitatea fotosintezei, iar reducerea concentratiei O₂ la 0,5 % intensifica fotosinteza.

Importanta fotosintezei:

Fotosinteza este procesul de care depinde existenta tuturor organismelor vii de pe Terra. In urma acestui proces rezulta:

Ø     substante constituente ale celulelor, precum si rezervele energetice ale plantelor;

Ø     substante nutritive de baza pentru toate organismele heterotrofe;

Ø     O₂ eliminat in mediu.

Fotosinteza asigura compozitia constanta a aerului in atmosfera. Prin fotosinteza se realizeaza si circulatia in natura a elementelor: C, N, P, S. Fotosinteza are importanta practica deoarece determina direct productia agricola, silvica si indirect pe cea zootehnica.

Tehnici de punere in evidenta a fotosintezei:

tehnici bazatre pe O₂ produs;

tehnici bazatre pe CO₂ absorbit;

tehnici bazatre pe substantele organice produse.