Informație

13.5: Reacțiile dependente de lumină - Biologie


Obiective de invatare

  • Relaționați lungimea de undă, energia și tipul de radiație electromagnetică (și culoarea luminii vizibile).
  • Explicați cum absorb plantele energia din lumina soarelui.
  • Detalii pașii interacțiunilor dependente de lumină.

Cum se poate folosi lumina pentru a face mâncare? Când o persoană aprinde o lampă, energia electrică devine energie luminoasă. La fel ca toate celelalte forme de energie cinetică, lumina poate călători, schimba forma și poate fi valorificată pentru a lucra. În cazul fotosintezei, energia luminii este transformată în energie chimică, pe care fotoautotrofii o utilizează pentru a construi molecule de carbohidrați (Figura ( PageIndex {1} )). Cu toate acestea, fotoautotrofii folosesc doar câteva componente specifice ale soarelui.

Ce este energia luminii?

Soarele emite o cantitate enormă de radiatie electromagnetica (energie solara). Oamenii pot vedea doar o fracțiune din această energie, porțiune fiind denumită „lumină vizibilă”. Modul în care se deplasează energia solară este descris ca valuri. Oamenii de știință pot determina cantitatea de energie a unui val măsurând-o lungime de undă, distanța dintre punctele consecutive ale unei unde. O singură undă este măsurată din două puncte consecutive, cum ar fi de la creastă la creastă sau de la jgheab la jgheab (Figura ( PageIndex {2} )). Diferența dintre lungimile de undă se referă la cantitatea de energie transportată de acestea.

Lumina vizibilă constituie doar unul dintre multele tipuri de radiații electromagnetice emise de soare și alte stele. Oamenii de știință diferențiază diferitele tipuri de energie radiantă de soare în spectrul electromagnetic. Spectrul electromagnetic este gama tuturor frecvențelor posibile ale radiației (Figura ( PageIndex {3} )). Mai multe tipuri de radiații electromagnetice provin din soare, inclusiv razele X și razele ultraviolete (UV). Undele cu energie superioară pot pătrunde în țesuturi și pot deteriora celulele și ADN-ul, explicând de ce atât razele X, cât și razele UV pot fi dăunătoare organismelor vii.

Fiecare tip de radiație electromagnetică se deplasează la o anumită lungime de undă. Cu cât lungimea de undă este mai mare (sau cu cât apare mai mult întinsă în diagramă), cu atât este transportată mai puțină energie. Undele scurte și strânse transportă cea mai mare energie. Acest lucru poate părea ilogic, dar gândiți-vă la asta în ceea ce privește o bucată de mișcare a unei frânghii grele. Este nevoie de puțin efort de către o persoană pentru a muta o frânghie în valuri lungi și largi. Pentru a face o frânghie să se miște în valuri scurte și strânse, o persoană ar trebui să aplice mult mai multă energie.

Absorbția luminii

Energia luminii inițiază procesul de fotosinteză atunci când pigmenții absorb lumina. Pigmenții organici, fie în retina umană, fie în cloroplastul tilacoid, au o gamă îngustă de niveluri de energie pe care le pot absorbi. Nivelurile de energie mai mici decât cele reprezentate de lumina roșie sunt insuficiente pentru a excita electronii din pigmenții retinieni. Nivelurile de energie mai mari decât cele cu lumină albastră vor distruge fizic aceste molecule, numite albire. Deci, pigmenții retinieni pot „vedea” (absorbi) numai lumină de la 700 nm la 400 nm, ceea ce se numește, prin urmare, lumină vizibilă. Din aceleași motive, moleculele pigmentare ale plantelor absorb doar lumina în lungimea de undă de la 700 nm la 400 nm; fiziologii plantelor se referă la această gamă pentru plante ca radiații fotosintetice active.

Lumina vizibilă văzută de oameni ca lumină albă există de fapt într-un curcubeu de culori. Anumite obiecte, cum ar fi o prismă sau o picătură de apă, dispersează lumina albă pentru a dezvălui culorile ochiului uman. Porțiunea de lumină vizibilă a spectrului electromagnetic arată curcubeul de culori, cu violet și albastru având lungimi de undă mai mici și, prin urmare, energie mai mare. La celălalt capăt al spectrului spre roșu, lungimile de undă sunt mai lungi și au energie mai mică (Figura ( PageIndex {4} )).

Înțelegerea pigmenților

Există diferite tipuri de pigmenți și fiecare a evoluat pentru a absorbi doar anumite lungimi de undă (culori) ale luminii vizibile. Pigmenții reflectă sau transmit lungimile de undă pe care nu le pot absorbi, făcându-i să apară în culoarea corespunzătoare.

Clorofile și carotenoizi sunt cele două clase majore de pigmenți fotosintetici găsiți în plante și alge; fiecare clasă are mai multe tipuri de molecule de pigment. Există cinci clorofile majore: A, b, c și d și o moleculă înrudită găsită în procariote numită bacterioclorofilă. Clorofilă A și clorofilă b se găsesc în cloroplastele vegetale și vor fi în centrul următoarei discuții.

Cu zeci de forme diferite, carotenoizii sunt un grup mult mai mare de pigmenți. Carotenoidele găsite în fructe - cum ar fi roșul roșiei (licopen), galbenul semințelor de porumb (zeaxantina) sau portocala unei coajă de portocală (β-caroten) - sunt folosite ca reclame pentru a atrage dispersorii de semințe. În fotosinteză, carotenoizii funcționează ca pigmenți fotosintetici care sunt molecule foarte eficiente pentru eliminarea excesului de energie. Când o frunză este expusă la soare plin, reacțiile dependente de lumină sunt necesare pentru a procesa o cantitate enormă de energie; dacă acea energie nu este manipulată corespunzător, poate provoca daune semnificative. Prin urmare, multe carotenoide locuiesc în membrana tilacoidă, absorb excesul de energie și disipează în siguranță acea energie sub formă de căldură.

Fiecare tip de pigment poate fi identificat prin modelul specific al lungimilor de undă pe care îl absoarbe din lumina vizibilă, care este spectrul de absorbție. Graficul din Figura ( PageIndex {5} ) prezintă spectrele de absorbție pentru clorofilă A, clorofila b, și un tip de pigment carotenoid numit β-caroten (care absoarbe lumina albastră și verde). Observați cum fiecare pigment are un set distinct de vârfuri și jgheaburi, dezvăluind un model foarte specific de absorbție. Clorofilă A absoarbe lungimile de undă de la fiecare capăt al spectrului vizibil (albastru și roșu), dar nu și verde. Deoarece verde este reflectat sau transmis, clorofila apare verde. Carotenoizii absorb în regiunea albastră cu lungime de undă scurtă și reflectă lungimile de undă galbene, roșii și portocalii mai lungi.

Multe organisme fotosintetice au un amestec de pigmenți; folosindu-le, organismul poate absorbi energia dintr-o gamă mai largă de lungimi de undă. Nu toate organismele fotosintetice au acces deplin la lumina soarelui. Unele organisme cresc sub apă, unde intensitatea și calitatea luminii scad și se modifică cu adâncimea (Figura ( PageIndex {6} )). Alte organisme cresc în competiție pentru lumină. Plantele de pe podeaua pădurii tropicale trebuie să fie capabile să absoarbă orice cantitate de lumină care pătrunde, deoarece copacii mai înalți absorb cea mai mare parte a soarelui și împrăștie radiația solară rămasă (Figura ( PageIndex {7} )).

Când studiază un organism fotosintetic, oamenii de știință pot determina tipurile de pigmenți prezenți generând spectre de absorbție. Un instrument numit a spectrofotometru poate diferenția ce lungimi de undă de lumină poate absorbi o substanță. Spectrofotometrele măsoară lumina transmisă și calculează din ea absorbția. Prin extragerea pigmenților din frunze și plasarea acestor probe într-un spectrofotometru, oamenii de știință pot identifica ce lungimi de undă de lumină poate absorbi un organism. Metodele suplimentare pentru identificarea pigmenților vegetali includ diferite tipuri de cromatografie care separă pigmenții prin afinitățile lor relative la fazele solide și mobile.

Cum funcționează reacțiile dependente de lumină

Funcția generală a reacțiilor dependente de lumină este de a converti energia solară în energie chimică sub formă de NADPH și ATP. Această energie chimică susține reacțiile independente de lumină și alimentează asamblarea moleculelor de zahăr. În reacțiile dependente de lumină, complexele proteice și moleculele de pigment lucrează împreună pentru a produce NADPH și ATP (Figura ( PageIndex {8} )).

Iată o animație a reacțiilor dependente de lumină:

Fotosistemele absorb energia luminii

Pasul real care transformă energia luminii în energie chimică are loc într-un complex multiproteic numit a fotosistem, dintre care două tipuri se găsesc încorporate în membrana tilacoidă, fotosistemul II (PSII) și fotosistemul I (PSI) (Figura ( PageIndex {9} )). Cele două complexe diferă pe baza a ceea ce oxidează (adică a sursei de alimentare cu electroni cu energie scăzută) și a ceea ce reduc (locul în care își livrează electronii energizați).

Ambele fotosisteme au aceeași structură de bază; un număr de proteine ​​de antenă de care sunt legate moleculele de clorofilă înconjoară centrul de reacție, unde are loc fotochimia. Fiecare fotosistem este un complex de antene deservite, care transmite energia din lumina soarelui către centrul de reacție. The complex de antene este format din mai multe proteine ​​de antenă care conțin un amestec de 300-400 de clorofilă A și b molecule precum și alți pigmenți precum carotenoizii. (Din punct de vedere tehnic, fotosistemele constau din centrul de reacție și complexul antenelor, iar un fotositem plus complexe de recoltare a luminii cuprinde un complex de fotosisteme, dar în figura ( PageIndex {9} ), complexul de recoltare a luminii este etichetat ca antene complex.) Absorbția unui singur foton, sau cantitate distinctă sau „pachet” de lumină, de către oricare dintre clorofile împinge acea moleculă într-o stare excitată. Pe scurt, energia luminii a fost acum capturată de molecule biologice, dar nu este stocată încă în nici o formă utilă. Energia este transferată de la clorofilă la clorofilă până când în cele din urmă (după aproximativ o milionime de secundă), este livrată în centrul de reacție. Până în acest moment, numai energia a fost transferată între molecule, nu electroni.

Centrul de reacție conține o pereche de clorofilă A molecule cu o proprietate specială. Aceste două clorofile pot suferi oxidare la excitație; pot renunța de fapt la un electron. În acest stadiu din centrul de reacție, acest pas din fotosinteză, energia luminii este transformată într-un electron excitat.

Electronii se deplasează în jos în lanțul de transport al electronilor, oferind energie pentru pomparea protonilor în lumenul tilacoid

Centrul de reacție al PSII (numit P680) furnizează electronii săi cu energie ridicată, unul câteodată, către acceptorul primar de electroni și prin intermediul lanțul de transport al electronilor (Pq la complexul citocromului b6f la plastocianină) la PSI (Figura ( PageIndex {10} )). The complex citocrom b6f, o enzimă compusă din două complexe proteice, transferă electronii din molecula purtătoare plastochinona (Pq) la proteină plastocianină (Pc), facilitând în cele din urmă transferul de electroni de la PSII la PSI. În timpul acestui proces, citocromul b6f pompează protoni din stroma în lumenul tilacoid folosind energia din electroni care se deplasează în lanțul de transport al electronilor.

Fotofosforilarea

Se numește sinteza ATP în reacțiile dependente de lumină fotofosforilare. Acumularea de protoni în interiorul lumenului tilacoid creează un gradient de concentrație. Mișcarea pasivă (difuzie facilitată) a protonilor de la concentrație mare (în lumenul tilacoid) la concentrație scăzută (în stromă) este valorificată pentru a crea ATP. Protonii acumulează energie la concentrații mari, deoarece toți au aceeași sarcină electrică, respingându-se reciproc.

Pentru a elibera această energie, protonii se vor repezi prin orice deschidere, similar cu jetul de apă printr-o gaură dintr-un baraj. În tilacoid, acea deschidere este un pasaj printr-un canal proteic specializat numit ATP sintază. Energia eliberată de fluxul de protoni permite ATP sintază să atașeze o a treia grupă fosfat la ADP, care formează o moleculă de ATP (Figuri ( PageIndex {10-11} )). Fluxul de protoni prin ATP sintază se numește chimiozmoza deoarece ionii se deplasează dintr-o zonă mare la o zonă cu concentrație scăzută printr-o structură semipermeabilă.

Fotoliza apei

Electronul lipsă al lui P680 este înlocuit prin extragerea unui electron cu energie scăzută din apă; astfel, apa este împărțită (fotoliza apei) și PSII este redus. Împărțirea unui H2Molecula O eliberează doi electroni, doi protoni și un atom de oxigen (Figurile ( PageIndex {10-11} )). Acești protoni, pe lângă cei transportați de ctrocromul b6f, se acumulează în lumenul tilacoid și fotofosforilarea combustibilului. Împărțirea a două molecule este necesară pentru a forma o moleculă de O diatomic2 gaz. Aproximativ 10 la sută din oxigen este utilizat de mitocondriile din frunză pentru a susține respirația celulară aerobă, procesul de descompunere a glucozei pentru a genera ATP. Restul scapă în atmosferă unde este folosit de organismele aerobe pentru a susține respirația.

Reducerea NADP+

Deoarece electronii au pierdut energie înainte de sosirea lor la PSI, trebuie să fie re-energizați de PSI, prin urmare, un alt foton este absorbit de antena PSI. Această energie este transmisă către centrul de reacție PSI (numit P700). P700 este oxidat și trimite electroni de mare energie către purtătorul de electroni NADP+ pentru a forma NADPH. Astfel, PSII captează energia pentru a crea gradienți de protoni pentru a produce ATP, iar PSI captează energia pentru a reduce NADP+ în NADPH. Cele două fotosisteme funcționează concertate, în parte, pentru a garanta că sunt generate proporțiile corecte de NADPH și ATP necesare reacțiilor independente de lumină. Există alte mecanisme pentru a regla fin acest raport pentru a se potrivi exact nevoilor energetice în continuă schimbare ale cloroplastului.


13.5: Reacțiile dependente de lumină - Biologie

Scopul general al reacțiilor dependente de lumină este de a converti energia luminii în energie chimică. Această energie chimică va fi utilizată de ciclul Calvin pentru a alimenta asamblarea moleculelor de zahăr.

Reacțiile dependente de lumină încep într-o grupare de molecule de pigment și proteine ​​numite fotosistem. Fotosistemele există în membranele tilacoidelor. O moleculă de pigment din fotosistem absoarbe câte un foton, o cantitate sau „pachet” de energie luminoasă, la un moment dat.

Un foton de energie luminoasă se deplasează până ajunge la o moleculă de pigment, cum ar fi clorofila. Fotonul face ca un electron din clorofilă să devină „excitat”. Energia dată electronului se deplasează apoi de la o moleculă de pigment la alta până ajunge la o pereche de clorofilă A molecule numite centru de reacție. Această energie excită apoi un electron din centrul de reacție, determinându-l să se elibereze și să fie transmis către acceptorul primar de electroni. Prin urmare, se spune că centrul de reacție „donează” un electron către acceptorul primar de electroni (Figura 1).

Figura 1. Energia luminii este absorbită de o moleculă de clorofilă și fotonul este trecut de-a lungul unei căi către alte molecule de clorofilă. Energia culminează cu o moleculă de clorofilă găsită în centrul de reacție. Energia „excită” unul dintre electronii săi suficient pentru a părăsi molecula și a fi transferată către un acceptor primar de electroni din apropiere. O moleculă de apă se desparte pentru a elibera un electron, care este necesar pentru a-l înlocui pe cel donat. Ionii de oxigen și hidrogen se formează, de asemenea, din divizarea apei.

Pentru a înlocui electronul din centrul de reacție, o moleculă de apă este divizată. Această divizare eliberează un electron și are ca rezultat formarea oxigenului (O2) și ioni de hidrogen (H +) în spațiul tilacoid. Din punct de vedere tehnic, fiecare rupere a unei molecule de apă eliberează o pereche de electroni și, prin urmare, poate înlocui doi electroni donați.

Înlocuirea electronului permite centrului de reacție să răspundă la un alt foton. Moleculele de oxigen produse ca subproduse își găsesc drumul către mediul înconjurător. Ionii de hidrogen joacă roluri critice în restul reacțiilor dependente de lumină.

Rețineți că scopul reacțiilor dependente de lumină este de a converti energia solară în purtători chimici care vor fi folosiți în ciclul Calvin. În eucariote, există două fotosisteme, primul se numește fotosistemul II, care este numit mai degrabă pentru ordinea descoperirii sale decât pentru ordinea funcției.

După lovirea fotonului, fotosistemul II transferă electronul liber la primul dintr-o serie de proteine ​​din membrana tilacoidă numită lanț de transport al electronilor. Pe măsură ce electronul trece de-a lungul acestor proteine, energia din electroni alimentează pompele cu membrană care mută activ ionii de hidrogen împotriva gradientului lor de concentrație din stromă în spațiul tilacoid. Acest lucru este destul de analog procesului care are loc în mitocondrie în care un lanț de transport de electroni pompează ioni de hidrogen din stroma mitocondrială de-a lungul membranei interioare și în spațiul intermembranar, creând un gradient electrochimic. După ce energia este utilizată, electronul este acceptat de o moleculă de pigment în următorul fotosistem, numit fotosistem I (Figura 2).

Figura 2. Din fotosistemul II, electronul excitat se deplasează de-a lungul unei serii de proteine. Acest sistem de transport al electronilor folosește energia din electron pentru a pompa ioni de hidrogen în interiorul tilacoidului. O moleculă de pigment din fotosistem I acceptă electronul.


Interfuncționările ciclului Calvin

În plante, dioxidul de carbon (CO2) intră în cloroplast prin stomă și se difuzează în stroma cloroplastului - locul reacțiilor ciclului Calvin unde este sintetizat zahărul. Reacțiile sunt numite după omul de știință care le-a descoperit și fac referire la faptul că reacțiile funcționează ca un ciclu. Alții îl numesc ciclul Calvin-Benson pentru a include numele unui alt om de știință implicat în descoperirea sa.

Figura 2 Reacțiile la lumină valorifică energia din soare pentru a produce legături chimice, ATP și NADPH. Aceste molecule purtătoare de energie sunt realizate în stroma unde are loc fixarea carbonului.

Reacțiile ciclului Calvin (Figura 2) poate fi organizat în trei etape de bază: fixare, reducere și regenerare. În stromă, pe lângă CO2, alte două molecule sunt prezente pentru a iniția ciclul Calvin: o enzimă prescurtată RuBisCO (care înseamnă ribuloză-1,5-bisfosfat carboxilază / oxigenază, în cazul în care vă interesează) și molecula ribuloză bisfosfat (RuBP). RuBP are cinci atomi de carbon și o grupare fosfat pe fiecare capăt.

Figura 3 Ciclul Calvin are trei etape. În stadiul 1, enzima RuBisCO încorporează dioxid de carbon într-o moleculă organică, 3-PGA. În stadiul 2, molecula organică este redusă folosind electroni furnizați de NADPH. În etapa 3, RuBP, molecula care începe ciclul, este regenerată astfel încât ciclul să poată continua. O singură moleculă de dioxid de carbon este încorporată la un moment dat, astfel încât ciclul trebuie finalizat de trei ori pentru a produce o singură moleculă GA3P cu trei cărbuni și de șase ori pentru a produce o moleculă de glucoză cu șase carbon.

RuBisCO catalizează o reacție între CO2 și RuBP, care formează un compus cu șase atomi de carbon care este imediat transformat în doi compuși cu trei atomi de carbon. Acest proces se numește fixarea carbonului, deoarece CO2 este „fixat” din forma sa anorganică în molecule organice. Puteți crede acest lucru ca fiind carbonul convertit din forma & # 8220 rupt & # 8221 în CO2 (pe care organismele nu le pot folosi direct) într-o formă & # 8220 fixată & # 8221, pe care organismele sunt capabile să o utilizeze. Datorită acestui rol foarte important în fotosinteză, RuBisCO este probabil cea mai abundentă enzimă de pe pământ.

ATP și NADPH își folosesc energia stocată pentru a converti compusul cu trei carbonuri, 3-PGA, într-un alt compus cu trei carbonuri numit G3P. Acest tip de reacție se numește reacție de reducere, deoarece implică câștigul de electroni. O reducere este câștigul unui electron de către un atom sau o moleculă. Moleculele ADP și NAD +, rezultate din reacția de reducere, revin la reacțiile dependente de lumină pentru a fi re-energizate.

Una dintre moleculele G3P părăsește ciclul Calvin pentru a contribui la formarea moleculei de carbohidrați, care este de obicei glucoza (C6H12O6). Deoarece molecula de carbohidrați are șase atomi de carbon, este nevoie de șase ture ale ciclului Calvin pentru a crea o moleculă de carbohidrați (una pentru fiecare moleculă de dioxid de carbon fixată). Restul moleculelor G3P regenerează RuBP, ceea ce permite sistemului să se pregătească pentru etapa de fixare a carbonului. ATP este, de asemenea, utilizat în regenerarea RuBP.

Pe scurt, sunt necesare șase rotații ale ciclului Calvin pentru a fixa șase atomi de carbon din CO2. Aceste șase spire necesită aport de energie din 12 molecule ATP și 12 molecule NADPH în etapa de reducere și 6 molecule ATP în etapa de regenerare.

Conexiune Evolution

Fotosinteza în plantele deșertului a dezvoltat adaptări care conservă apa. În căldura dură și uscată, fiecare picătură de apă trebuie folosită pentru a supraviețui. Deoarece stomatele trebuie să se deschidă pentru a permite absorbția de CO2, apa scapă din frunză în timpul fotosintezei active. Plantele deșertice au dezvoltat procese pentru a conserva apa și a face față condițiilor dure. O utilizare mai eficientă a CO2 permite plantelor să se adapteze la traiul cu mai puțină apă. Unele plante, cum ar fi cactușii, pot pregăti materiale pentru fotosinteză pe timpul nopții printr-un proces temporar de fixare / stocare a carbonului, deoarece deschiderea stomatelor în acest moment conservă apa din cauza temperaturilor mai reci. În plus, cactușii au dezvoltat capacitatea de a efectua niveluri scăzute de fotosinteză fără a deschide deloc stomate, un mecanism extrem pentru a face față perioadelor extrem de uscate.


Priveste filmarea: Fizica, clasa a IX-a, Lentile convergente și divergente. Rezolvarea problemelor (Ianuarie 2022).