Sumber bahan organik adalah fotosintesis. Pengertian dan ciri-ciri umum fotosintesis, pengertian fotosintesis

Dari konsep sekolah fotosintesis berkaitan dengan dalam warna hijau. Ini adalah warna pigmen yang disebut klorofil. Tanpa akumulasi di daun proses fotosintesis tidak memungkinkan. Bagaimana sequoia putih bertahan?

fotosintesis tumbuhan berdasarkan 0,4% sinar cahaya. Setengah dari mereka tidak mencapai permukaan planet ini. Sisanya, hanya 1/8 yang cocok untuk fotosintesis. Ada batasan panjang gelombang cahaya. Dari sinar yang cocok, tanaman mengambil 0,4%.

Jika diterjemahkan menjadi energi, ini adalah 1% dari jumlah totalnya. Proses fotosintesis yang biasa terjadi di bawah pengaruh sinar matahari. Namun, tumbuhan juga belajar menggunakan sinar buatan.

Fotosintesis cahaya turun menjadi glukosa. Dia pergi ke makanan. Produk sampingan dari reaksi ini adalah oksigen. Itu dipancarkan oleh perwakilan flora ke lingkungan eksternal, mengisi kembali atmosfer Bumi.

Oksigen dan glukosa diproduksi selama reaksi antara karbon dioksida dan air. Klorofil dalam interaksi ini adalah sejenis katalis. Tanpa itu, reaksi tidak mungkin terjadi.

Menariknya, klorofil hanya ditemukan pada tumbuhan. Fungsi yang diberikan pada pigmen menyerupai kerja darah dalam tubuh hewan. Klorofil mirip dengan molekul hemoglobin, tetapi dengan magnesium di tengahnya.

Zat besi terlibat dalam sel darah manusia. Namun, klorofil memiliki efek pada organisme manusia yang mirip dengan hemoglobin, yaitu meningkatkan tingkat oksigen dalam darah dan mempercepat metabolisme nitrogen.

reaksi fotosintesis bisa cepat atau lambat. Itu semua tergantung pada kondisi lingkungan. Penting: intensitas fluks cahaya, suhu udara, saturasinya dengan karbon dioksida dan oksigen. Yang ideal adalah mencapai titik kompensasi. Ini adalah nama yang diberikan untuk kebetulan laju respirasi tanaman dan pelepasan oksigen olehnya.

Jika cahaya memasuki sel kloroplas, tempat klorofil terakumulasi, dari atas, maka air untuk reaksi tanaman dipompa keluar dari tanah. Itu sebabnya tanaman perlu disiram. Kurangnya kelembaban menghambat reaksi fotosintesis. Akibatnya, tanaman menjadi kuning, yaitu kehilangan klorofil.

Bidang perwakilan flora saat ini, daunnya tidak akan berubah menjadi hijau. Klorofil juga membantu memompa air keluar dari tanah. Ternyata lingkaran setan. Tidak ada penyiraman - tidak ada klorofil, tidak ada klorofil - tidak ada pengiriman air ke tanaman.

Sekarang mari kita mengalihkan perhatian kita ke glukosa. Karena tanaman hijau menghasilkannya dari air dan karbon dioksida, yang berarti bahwa dari anorganik, diperoleh organik. Dengan menambahkan fosfor, lalu belerang, lalu nitrogen ke gula, tanaman menghasilkan vitamin, lemak, protein, dan pati. Suplemen herbal glukosa dan pohon diambil dari tanah. Unsur-unsur datang larut dalam air.

Fase fotosintesis

Fase fotosintesis- Ini adalah pembagian proses menjadi fotolisis dan reaksi reduksi. Hasil pertama dalam cahaya dan direduksi menjadi evolusi hidrogen. Oksigen adalah produk sampingan dari reaksi, namun, tanaman yang tepat. Ini menggunakan gas dalam proses pernapasan.

fase cahaya fotosintesis merangsang klorofil. Dari kelebihan energi, elektronnya putus dan mulai bergerak di sepanjang rantai senyawa organik. Selama perjalanan, partikel mempromosikan sintesis asam adenosin difosfat dari asam adenosin trifosfat.

Ini membutuhkan energi yang diberikan kepada elektron. ADP diperlukan untuk pembentukan nukleotida oleh tanaman. Mereka termasuk dalam asam nukleat, yang tanpanya metabolisme perwakilan flora tidak mungkin.

Setelah menghabiskan energi, elektron kembali ke molekul klorofil. Ini sel fotosintesis menangkap kuantum cahaya lagi. Sebuah elektron yang lelah bekerja diperkuat olehnya, sekali lagi akan bekerja. Ini adalah fase ringan dari proses. Namun, dia tidak berhenti bahkan dalam kegelapan.

fotosintesis gelap bertujuan untuk menangkap karbon dioksida dari lingkungan. Bersama dengan hidrogen, ia berpartisipasi dalam pembentukan gula 6-karbon. Ini adalah glukosa. Ini hasil fotosintesis Ini juga disertai dengan pembentukan zat yang membantu menangkap bagian baru karbon dioksida.

Mereka ditangkap lagi oleh kloroplas. Mereka menghabiskan energi yang terkumpul di siang hari. Sumber daya pergi ke pengikatan karbon dioksida dengan ribulosa bifosfat. Ini adalah gula 5-karbon. Reaksi menghasilkan dua molekul asam fosfogliserat.

Masing-masing memiliki 3 atom karbon. Ini adalah salah satu tahapan dari siklus Calvin. Itu terjadi di stroma, yaitu lapisan kloroplas. Siklus terdiri dari tiga reaksi. Pertama, karbon dioksida melekat pada rubulosa-1,5-difosfat.

Reaksi membutuhkan adanya rubulosa bifosfat karboksilase. Ini adalah enzim. Di hadapannya, heksosa lahir. Dari sana, molekul asam fosfogliserat diperoleh.

Setelah menerima senyawa fosfogliserol, tanaman mereduksinya menjadi gliseraldehida-3-fosfat. Molekulnya bergerak dalam dua "arah". Yang pertama, glukosa terbentuk, dan yang kedua, rubulosa-1,5-difosfat. Dia, seperti yang kita ingat, mengambil bensin karbonat.

Fotosintesis pada kedua tahap, itu aktif berlangsung pada tanaman, karena mereka telah beradaptasi untuk menangkap jumlah maksimum energi matahari di siang hari. Mari kita ingat sekolah kelas. Fotosintesis dikhususkan untuk beberapa pelajaran botani.

Guru menjelaskan mengapa kebanyakan tumbuhan memiliki daun yang pipih dan lebar. Jadi perwakilan flora menambah area untuk menangkap kuanta cahaya. Bukan tanpa alasan orang membuat panel surya lebar, tetapi datar.

Fotosintesis karbon dioksida

Karbon dioksida masuk ke tumbuhan melalui stomata. Ini adalah kesamaan pori-pori pada daun, batang. Proses penyerapan dan pelepasan gas setelah oksigen melalui stomata yang sama menyerupai pernapasan pada manusia.

Perbedaannya hanya pada pergantian tahapan. Orang menghirup oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida. Tumbuhan adalah kebalikannya. Ini adalah bagaimana keseimbangan dua gas di atmosfer dipertahankan di planet ini.

Produk fotosintesis membawa energi matahari. Hewan tidak dapat memprosesnya. Makan tanaman adalah satu-satunya cara untuk "mengisi" dari siang hari.

Dengan memproses karbon dioksida, tanaman dapat memberi manusia dan hewan dua kali lebih banyak. Perwakilan flora bekerja dengan 0,03% gas di atmosfer. Seperti yang Anda lihat, karbon dioksida bukanlah gas yang dominan di dalamnya.

Dalam kondisi buatan, para ilmuwan menyesuaikan persentase karbon dioksida di udara menjadi 0,05%. Mentimun, pada saat yang sama, memberi buah 2 kali lebih banyak. Mereka juga bereaksi terhadap perubahan,.

Para ilmuwan meningkatkan tingkat karbon dioksida dengan membakar serbuk gergaji dan limbah lainnya dari industri pengerjaan kayu di rumah kaca. Menariknya, pada konsentrasi gas 0,1%, tanaman tidak lagi bahagia.

Banyak spesies mulai sakit. Pada tomat, misalnya, di atmosfer dengan kelebihan karbon dioksida, daunnya mulai menguning dan menggulung. Ini adalah konfirmasi lain dari bahaya jenuhnya atmosfer dengan CO 2 . Dengan melanjutkan deforestasi dan pengembangan industri, seseorang berisiko menempatkan tanaman yang tersisa dalam kondisi yang tidak sesuai untuk mereka.

Dimungkinkan untuk meningkatkan tingkat karbon dioksida secara optimal tidak hanya dengan membakar limbah kayu, tetapi juga dengan memberikan pupuk ke tanah. Mereka mendorong pertumbuhan bakteri.

Banyak mikroorganisme menghasilkan senyawa karbon dioksida. Berkonsentrasi di tanah, ia segera ditangkap oleh tanaman, digunakan untuk kepentingan perwakilan flora dan seluruh populasi Bumi.

Pentingnya Fotosintesis

Jika tingkat karbon dioksida dibiarkan naik di atmosfer yang lebih rendah di mana-mana, dan tidak hanya di rumah kaca eksperimental, efek rumah kaca akan terjadi. Ini adalah pemanasan global yang sama, yang sudah mendekati, atau tidak "bersinar".

Para ilmuwan tidak setuju. Jika kita berbicara tentang fakta yang mendukung efek rumah kaca, kita ingat mencairnya es Antartika. Beruang kutub tinggal di sana. Selama beberapa tahun mereka telah dimasukkan dalam .

Secara historis, bagian dari kehidupan beruang adalah mengatasi garis lintang air dalam perjalanan ke gletser baru. Bergegas ke mereka, hewan-hewan itu semakin lelah, tidak pernah mencapai tujuan. Ruang air meningkat.

Berenang ke petak-petak tanah menjadi semakin sulit. Terkadang, beruang mati di tengah jalan. Terkadang, pemangsa Buku Merah turun ke tanah, tetapi kelelahan. Tidak ada kekuatan tersisa untuk berburu dan menyeberang di tanah yang kokoh.

Dari uraian di atas, kami menyimpulkan: tanpa fotosintesis atau dengan pengurangan bagiannya, tingkat karbon dioksida di atmosfer akan memicu efek rumah kaca. Tidak hanya iklim planet yang akan berubah, tetapi juga komposisi penghuninya, penampilan mereka, adaptasi terhadap lingkungan.

Ini akan terjadi sampai proporsi karbon dioksida di udara mencapai kritis 1%. Selanjutnya, muncul pertanyaan fotosintesis. Air lautan dunia mungkin tetap menjadi satu-satunya sumbernya. Alga juga "bernapas". Sel-sel yang menyimpan klorofil berbeda.

Namun, esensi proses fotosintesis pada tumbuhan darat dan tumbuhan air adalah sama. Konsentrasi karbon dioksida di atmosfer belum tentu ditransfer ke lingkungan perairan. Itu bisa menjaga keseimbangan.

Beberapa ilmuwan menyarankan bahwa dengan peningkatan bertahap dalam proporsi karbon dioksida di udara, perwakilan flora akan dapat beradaptasi dengan kondisi baru. Tomat tidak akan mengubah daun, menyerah pada kenyataan masa depan.

Ada kemungkinan bahwa tumbuhan berevolusi dengan belajar memproses lebih banyak CO 2 . Dugaan para ilmuwan termasuk dalam kategori "lebih baik tidak memeriksa". Terlalu beresiko.

Pentingnya Fotosintesis Ini terkait tidak hanya dengan pemeliharaan kehidupan tanaman itu sendiri dan kejenuhan atmosfer bumi dengan oksigen. Para ilmuwan sedang berjuang dengan reaksi buatan.

Air, yang dipecah oleh aksi radiasi matahari menjadi hidrogen dan oksigen, adalah sumber energi. Energi ini, tidak seperti yang diperoleh dari produk minyak bumi dan batu bara, ramah lingkungan dan aman.

Dimana tempat terjadinya fotosintesis?- sudahlah. Yang penting adalah energi yang dibawanya. Sejauh ini, seseorang menerima sumber daya hanya dengan menyerap makanan nabati. Timbul pertanyaan, bagaimana karnivora bertahan hidup? Mereka tidak sia-sia memangsa herbivora, dan bukan jenis mereka sendiri. Dalam daging hewan yang memakan tumbuhan dan daun, sebagian energinya disimpan.

Selain energi fotosintesis, produknya juga penting. Oksigen, misalnya, tidak hanya berfungsi untuk respirasi hewan, tetapi juga untuk pembentukan lapisan ozon. Itu terletak di stratosfer Bumi, di perbatasan dengan ruang angkasa.

Ozon adalah salah satu modifikasi oksigen, yang dibutuhkan, naik hingga ribuan kilometer. Di sini elemen berjuang dengan radiasi Matahari. Jika bukan karena lapisan ozon, radiasi bintang akan mencapai permukaan planet dalam dosis yang berbahaya bagi semua makhluk hidup.

Menariknya, beberapa invertebrata dapat membantu menjaga keseimbangan gas di planet ini. Siput Elisia Chloroti, misalnya, telah belajar mengasimilasi kloroplas alga.

Penghuni laut memakannya, "menjinakkan" sel-sel dengan klorofil di mukosa perutnya. Genom siput mengkodekan protein yang dibutuhkan pigmen hijau untuk fotosintesis.

Zat yang dihasilkan dipasok ke kloroplas dan mereka "memberi makan" invertebrata dengan glukosa manis. Di atasnya, orang dapat bertahan untuk beberapa waktu. Cukuplah untuk mengingat rumah sakit di mana yang lemah disuntik dengan glukosa secara intravena.

Gula adalah sumber energi utama dan, yang terpenting, cepat. Rantai konversi glukosa menjadi energi bersih lebih pendek daripada rantai konversi lemak dan protein. Tentu saja, mereka belajar mensintesis gula secara artifisial.

Tapi, banyak ilmuwan cenderung percaya bahwa glukosa dari tanaman, buah-buahan dan sayuran lebih bermanfaat bagi tubuh. Ini mirip dengan efek vitamin. Sintetis dan alami memiliki komposisi yang sama, tetapi posisi atomnya sedikit berbeda. Eksperimen membuktikan bahwa farmasi vitamin C memberikan manfaat yang meragukan, tetapi zat yang sama dari lemon atau kol tidak dapat disangkal.

Manfaat fotosintesis tidak dapat disangkal. Dia akrab dan, pada saat yang sama, menyimpan lebih banyak rahasia. Kenali mereka untuk memastikan masa depan yang bahagia bagi diri Anda dan planet ini secara keseluruhan.

Sampai saat ini, dua jenis pigmen telah ditemukan pada organisme hidup yang dapat berfungsi sebagai antena fotosintesis. Pigmen ini menyerap kuanta cahaya tampak dan menyediakan penyimpanan lebih lanjut energi radiasi dalam bentuk energi gradien elektrokimia H + pada membran biologis. Yang kurang umum adalah penggunaan turunan vitamin A, retinal, sebagai antena; di sebagian besar organisme, klorofil memainkan peran antena. Sesuai dengan ini, fotosintesis bebas klorofil dan klorofil dibedakan.

Fotosintesis bebas klorofil

Sistem fotosintesis bebas klorofil dibedakan oleh kesederhanaan organisasinya, dan oleh karena itu diasumsikan sebagai mekanisme utama evolusioner untuk menyimpan energi radiasi elektromagnetik. Efisiensi fotosintesis bebas klorofil sebagai mekanisme konversi energi relatif rendah (hanya satu H + yang ditransfer per kuantum yang diserap).

Penemuan di archaea halofilik

Dieter Oesterhelt dan Walther Stoeckenius mengidentifikasi perwakilan archaea halofilik dalam "membran ungu" Halobacterium salinarium(nama lama N. halobium) protein yang kemudian diberi nama bacteriorhodopsin. Segera, fakta dikumpulkan yang menunjukkan bahwa bacteriorhodopsin adalah generator gradien proton yang bergantung pada cahaya. Secara khusus, fotofosforilasi ditunjukkan pada vesikel buatan yang mengandung bakteriorhodopsin dan ATP sintase mitokondria, fotofosforilasi dalam sel utuh H. salinarium, penurunan pH medium yang diinduksi cahaya, dan penekanan respirasi, yang semuanya berkorelasi dengan spektrum penyerapan bakteriorhodopsin. Dengan demikian, bukti tak terbantahkan dari keberadaan fotosintesis bebas klorofil diperoleh.

Mekanisme

Aparatus fotosintesis halobakteri ekstrim adalah yang paling primitif dari yang dikenal saat ini; tidak memiliki rantai transpor elektron. membran sitoplasma halobakteri adalah membran konjugasi yang mengandung dua komponen utama: pompa proton yang bergantung pada cahaya (bakteriorhodopsin) dan ATP sintase. Pengoperasian peralatan fotosintesis semacam itu didasarkan pada transformasi energi berikut:

1. Bakteriorhodopsin kromofor retina menyerap kuanta cahaya, yang menyebabkan perubahan konformasi dalam struktur bakteriorhodopsin dan transportasi proton dari sitoplasma ke ruang periplasma. Selain itu, kontribusi tambahan untuk komponen listrik gradien dibuat oleh impor anion klorida bergantung-cahaya aktif, yang disediakan oleh halorhodopsin [ ] . Jadi, sebagai hasil kerja bakteriorhodopsin, energi radiasi matahari diubah menjadi energi gradien elektrokimia proton pada membran.
2. Selama kerja ATP sintase, energi gradien transmembran diubah menjadi energi ikatan kimia ATP. Dengan demikian, konjugasi kemiosmotik dilakukan.

Dalam jenis fotosintesis bebas klorofil (serta dalam penerapan aliran siklik dalam rantai transpor elektron), tidak ada pembentukan ekuivalen pereduksi (feredoksin tereduksi atau NAD(P)H) yang diperlukan untuk asimilasi karbon dioksida. Oleh karena itu, selama fotosintesis bebas klorofil, asimilasi karbon dioksida tidak terjadi, tetapi energi matahari disimpan secara eksklusif dalam bentuk ATP (fotofosforilasi).

Berarti

Cara utama untuk mendapatkan energi untuk halobacteria adalah oksidasi aerobik senyawa organik (karbohidrat dan asam amino digunakan dalam budidaya). Dengan kekurangan oksigen, selain fotosintesis bebas klorofil, respirasi anaerobik nitrat atau fermentasi arginin dan citrulline dapat berfungsi sebagai sumber energi untuk halobacteria. Namun, percobaan menunjukkan bahwa fotosintesis bebas klorofil juga dapat berfungsi sebagai satu-satunya sumber energi dalam kondisi anaerobik ketika respirasi anaerobik dan fermentasi ditekan, asalkan retina ditambahkan ke media, untuk sintesis oksigen yang dibutuhkan. .

Fotosintesis klorofil

Fotosintesis klorofil berbeda dari bakteriorhodopsin dalam efisiensi penyimpanan energi yang jauh lebih besar. Untuk setiap kuantum radiasi yang diserap, setidaknya satu H + ditransfer melawan gradien, dan dalam beberapa kasus energi disimpan dalam bentuk senyawa tereduksi (ferredoxin, NADP).

Anoksigenik

Fotosintesis anoksigenik (atau anoksik) berlangsung tanpa pelepasan oksigen. Bakteri ungu dan hijau, serta heliobacteria, mampu melakukan fotosintesis anoksigenik.

Dengan fotosintesis anoksigenik, dimungkinkan untuk melakukan:

1. Transpor elektron siklik yang bergantung pada cahaya, yang tidak disertai dengan pembentukan ekuivalen pereduksi dan secara eksklusif mengarah pada penyimpanan energi cahaya dalam bentuk ATP. Dengan transpor elektron bergantung cahaya siklik, tidak diperlukan donor elektron eksogen. Kebutuhan untuk mereduksi setara disediakan dengan cara non-fotokimia, sebagai aturan, karena senyawa organik eksogen.
2. Transpor elektron non-siklik bergantung cahaya, disertai dengan pembentukan ekuivalen pereduksi dan sintesis ADP. Dalam hal ini, diperlukan donor elektron eksogen, yang diperlukan untuk mengisi kekosongan elektron di pusat reaksi. Agen pereduksi organik dan anorganik dapat digunakan sebagai donor elektron eksogen. Di antara senyawa anorganik, berbagai bentuk belerang tereduksi paling sering digunakan (hidrogen sulfida, belerang molekuler, sulfit, tiosulfat, tetrationat, tioglikolat), juga dimungkinkan untuk menggunakan hidrogen molekuler.

oksigen

Fotosintesis oksigenik (atau oksigen) disertai dengan pelepasan oksigen sebagai produk sampingan. Dalam fotosintesis oksigenik, transpor elektron non-siklik terjadi, meskipun dalam kondisi fisiologis tertentu hanya terjadi transpor elektron siklik. Donor elektron yang sangat lemah, air, digunakan sebagai donor elektron dalam aliran non-siklik.

Fotosintesis oksigenik jauh lebih luas. Ciri-ciri tumbuhan tingkat tinggi, alga, banyak protista dan cyanobacteria.

Tahapan

Fotosintesis adalah proses dengan organisasi spatio-temporal yang sangat kompleks.

Penyebaran waktu karakteristik berbagai tahap fotosintesis adalah 19 orde besarnya: laju penyerapan kuanta cahaya dan migrasi energi diukur dalam interval femtosekon (10–15 detik), laju transpor elektron memiliki waktu karakteristik 10– 10–10–2 detik, dan proses yang terkait dengan pertumbuhan tanaman diukur dalam hari (10 5 −10 7 detik).

Juga, hamburan ukuran yang besar adalah karakteristik dari struktur yang memastikan aliran fotosintesis: dari tingkat molekuler (10 27 m 3) hingga tingkat fitocenosis (10 5 m 3).

Dalam fotosintesis, tahap-tahap terpisah dapat dibedakan, berbeda dalam sifat dan tingkat karakteristik proses:

• fotofisik;
• fotokimia;
• Bahan kimia:
  • Reaksi transpor elektron;
  • Reaksi "gelap" atau siklus karbon selama fotosintesis.

Pada tahap pertama, penyerapan kuanta cahaya oleh pigmen terjadi, transisi mereka ke keadaan tereksitasi dan transfer energi ke molekul lain dari fotosistem. Pada tahap kedua, terjadi pemisahan muatan di pusat reaksi, transfer elektron sepanjang rantai transpor elektron fotosintesis, yang diakhiri dengan sintesis ATP dan NADPH. Dua tahap pertama secara kolektif disebut sebagai tahap  fotosintesis yang bergantung pada cahaya. Tahap ketiga sudah terjadi tanpa partisipasi wajib cahaya dan termasuk reaksi biokimia dari sintesis zat organik menggunakan energi yang terakumulasi pada tahap yang bergantung pada cahaya. Paling sering, siklus Calvin dan glukoneogenesis, pembentukan gula dan pati dari karbon dioksida di udara, dianggap sebagai reaksi seperti itu.

Lokalisasi spasial

Lembaran

Fotosintesis tanaman dilakukan dalam kloroplas: organel membran ganda semi-otonom milik kelas plastida. Kloroplas dapat ditemukan di sel batang, buah, sepal, namun organ utama fotosintesis adalah daun. Daun terbentuk dalam proses evolusi dan secara anatomis beradaptasi dengan penyerapan energi cahaya dan asimilasi karbon dioksida. Bentuk lembaran yang datar, yang memberikan rasio permukaan terhadap volume yang besar, memungkinkan penggunaan energi sinar matahari secara lebih penuh. Air, yang diperlukan untuk mempertahankan turgor dan fotosintesis, dikirim ke daun dari sistem akar melalui xilem dari jaringan ikatan pembuluh (urat daun) dan batang yang dikembangkan. Hilangnya air sebagai akibat dari penguapan melalui stomata dan, pada tingkat lebih rendah, melalui kutikula (transpirasi) berfungsi sebagai kekuatan pendorong untuk transportasi melalui pembuluh. Namun, transpirasi berlebihan tidak diinginkan, dan dalam perjalanan evolusi berbagai adaptasi telah terbentuk pada tanaman yang bertujuan untuk mengurangi kehilangan air. Aliran keluar asimilat, yang diperlukan untuk berfungsinya siklus Calvin, dilakukan di sepanjang floem berkas pembuluh (vena) dan floem batang. Dengan fotosintesis intensif, karbohidrat dapat berpolimerisasi dan, pada saat yang sama, butiran pati terbentuk di kloroplas. Pertukaran gas (penyediaan karbon dioksida dan pelepasan oksigen) dilakukan dengan difusi melalui stomata, beberapa gas bergerak melalui kutikula.

Karena defisiensi karbon dioksida secara signifikan meningkatkan hilangnya asimilat selama fotorespirasi, maka perlu untuk mempertahankan konsentrasi karbon dioksida yang tinggi di ruang antar sel, yang dimungkinkan dengan stomata terbuka. Namun, menjaga stomata tetap terbuka suhu tinggi menyebabkan peningkatan kehilangan air transpirasi - kehilangan air melalui penguapan, yang menyebabkan defisit air dan juga mengurangi produktivitas fotosintesis. Konflik ini diselesaikan sesuai dengan prinsip kompromi adaptif. Selain itu, penyerapan utama karbon dioksida pada malam hari, pada suhu rendah, pada tanaman dengan fotosintesis CAM menghindari kehilangan air transpirasional yang tinggi.

Fotosintesis di tingkat jaringan

Pada tingkat jaringan, fotosintesis pada tumbuhan tingkat tinggi disediakan oleh jaringan khusus - chlorench. dan Ku . Klorenkim terletak di dekat permukaan tubuh tumbuhan, di mana ia menerima energi cahaya dalam jumlah yang cukup. Biasanya klorenkim terletak langsung di bawah epidermis. Pada tanaman yang tumbuh di bawah kondisi insolasi yang meningkat, antara epidermis dan klorenkim, satu atau dua lapisan sel transparan (hipoderm) dapat ditemukan, yang memberikan hamburan cahaya. Pada beberapa tanaman yang menyukai naungan, epidermis juga kaya akan kloroplas (misalnya, asam). Seringkali klorenkim mesofil daun dibedakan menjadi palisade (kolumnar) dan bunga karang, tetapi juga dapat terdiri dari sel-sel yang homogen. Di bawah kondisi diferensiasi, klorenkim palisade adalah yang terkaya di kloroplas.

Kloroplas

Ruang dalam kloroplas diisi dengan isi tidak berwarna (stroma) dan ditembus oleh membran (lamela), yang, saling berhubungan, membentuk tilakoid, yang, pada gilirannya, dikelompokkan menjadi tumpukan yang disebut grana. Ruang intratilakoid dipisahkan dan tidak berkomunikasi dengan sisa stroma; juga diasumsikan bahwa ruang internal semua tilakoid berkomunikasi satu sama lain. Tahap cahaya fotosintesis terbatas pada membran; fiksasi autotrofik CO2 terjadi di stroma.

Kloroplas memiliki DNA, RNA, ribosom sendiri (tipe 70-an), sintesis protein sedang berlangsung (walaupun proses ini dikendalikan dari nukleus). Mereka tidak disintesis lagi, tetapi dibentuk dengan membagi yang sebelumnya. Semua ini memungkinkan untuk menganggap mereka sebagai keturunan cyanobacteria bebas, yang termasuk dalam komposisi sel eukariotik dalam proses simbiogenesis.

Membran fotosintesis pada prokariota

Esensi fotokimia dari proses

Fotosistem I

Kompleks pemanenan cahaya I mengandung sekitar 200 molekul klorofil.

Pusat reaksi fotosistem pertama mengandung klorofil a dimer dengan serapan maksimum pada 700 nm (P 700). Setelah tereksitasi oleh kuantum cahaya, ia mengembalikan akseptor utama - klorofil a, yaitu sekunder (vitamin K 1 atau phylloquinone), setelah itu elektron ditransfer ke ferredoxin, yang mengembalikan NADP menggunakan enzim ferredoxin-NADP-reductase.

Protein plastosianin, yang direduksi dalam kompleks b 6 f, diangkut ke pusat reaksi fotosistem pertama dari sisi ruang intratilakoid dan mentransfer elektron ke P 700 yang teroksidasi.

Transpor elektron siklik dan pseudosiklik

Selain jalur elektron non-siklik lengkap yang dijelaskan di atas, jalur siklik dan pseudo-siklik telah ditemukan.

Inti dari jalur siklik adalah bahwa ferredoxin bukannya NADP mengembalikan plastoquinone, yang mentransfernya kembali ke kompleks b 6 f. Hasilnya adalah gradien proton yang lebih besar dan lebih banyak ATP, tetapi tidak ada NADPH.

Dalam jalur pseudosiklik, ferredoxin mereduksi oksigen, yang selanjutnya diubah menjadi air dan dapat digunakan dalam fotosistem II. Itu juga tidak menghasilkan NADPH.

fase gelap

Pada tahap gelap, dengan partisipasi ATP dan NADP, CO 2 direduksi menjadi glukosa (C 6 H 12 O 6). Meskipun cahaya tidak diperlukan untuk proses ini, ia terlibat dalam regulasinya.

C3 -fotosintesis, siklus Calvin

Pada tahap kedua, FHA dipulihkan dalam dua tahap. Pertama, difosforilasi oleh ATP di bawah aksi fosfogliserokinase dengan pembentukan asam 1,3-difosfogliserat (DPHA), kemudian, di bawah pengaruh triosa fosfat dehidrogenase dan NADPH, gugus asil-fosfat DFGK didefosforilasi dan direduksi menjadi gugus aldehida dan gliseraldehida-3-fosfat terbentuk - karbohidrat terfosforilasi (PHA).

Pada tahap ketiga, 5 molekul PHA terlibat, yang melalui pembentukan senyawa 4-, 5-, 6-, dan 7-karbon, digabungkan menjadi 3 5-karbon ribulosa-1,5-bifosfat, yang membutuhkan 3ATP .

Akhirnya, dua PHA diperlukan untuk sintesis glukosa. Untuk pembentukan salah satu molekulnya, diperlukan 6 putaran siklus, 6 CO 2, 12 NADPH, dan 18 ATP.

C 4 -fotosintesis

Perbedaan antara mekanisme fotosintesis ini dan yang biasa adalah bahwa fiksasi karbon dioksida dan penggunaannya dipisahkan dalam ruang, antara sel-sel tanaman yang berbeda.

Pada konsentrasi rendah CO2 terlarut dalam stroma, ribulosa bifosfat karboksilase mengkatalisis reaksi oksidasi ribulosa-1,5-bifosfat dan dekomposisi menjadi asam 3-fosfogliserat dan asam fosfoglikolat, yang secara paksa digunakan dalam proses fotorespirasi.

Untuk meningkatkan konsentrasi CO 2 C 4 tanaman telah mengubah anatomi daun. Siklus Calvin di dalamnya terlokalisasi di sel-sel selubung bundel konduksi, sedangkan di sel-sel mesofil, di bawah aksi PEP-karboksilase, fosfoenolpiruvat dikarboksilasi untuk membentuk asam oksaloasetat, yang berubah menjadi malat atau aspartat dan diangkut ke sel-sel selubung, di mana ia didekarboksilasi dengan pembentukan piruvat, yang dikembalikan ke sel-sel mesofil.

Dengan 4 fotosintesis praktis tidak disertai dengan hilangnya ribulosa-1,5-bifosfat dari siklus Calvin, oleh karena itu lebih efisien. Namun, itu tidak membutuhkan 18, tetapi 30 ATP untuk sintesis 1 molekul glukosa. Ini terbayar di daerah tropis, di mana iklim panas mengharuskan stomata tetap tertutup, mencegah CO2 memasuki daun, dan juga dalam strategi kehidupan kasar.

Fotosintesis di sepanjang jalur C4 dilakukan oleh sekitar 7600 spesies tanaman, yang semuanya adalah tanaman berbunga: banyak Sereal (61% spesies, termasuk yang dibudidayakan - jagung, tebu dan sorgum, dll.), Anyelir (bagian terbesar di Keluarga Marev - 40% spesies, Amaranth - 25%), beberapa Sedge, Aster, Kubis, Euphorbia.

fotosintesis CAM

Energi yang diterima manusia dari pembakaran bahan bakar fosil (batubara, minyak, gas alam, gambut) juga disimpan dalam proses fotosintesis.

Fotosintesis berfungsi sebagai input utama karbon anorganik ke dalam siklus biogeokimia.

Fotosintesis adalah dasar untuk produktivitas tanaman pertanian yang penting.

Sebagian besar oksigen bebas di atmosfer berasal dari biogenik dan merupakan produk sampingan dari fotosintesis. Pembentukan atmosfer pengoksidasi (bencana oksigen) benar-benar mengubah keadaan permukaan bumi, memungkinkan munculnya respirasi, dan kemudian, setelah pembentukan lapisan ozon, memungkinkan adanya kehidupan di darat.

Sejarah studi

Eksperimen pertama pada studi fotosintesis dilakukan oleh Joseph Priestley pada tahun 1780-an, ketika ia menarik perhatian pada "kerusakan" udara dalam bejana tertutup oleh lilin yang menyala (udara berhenti mendukung pembakaran, dan hewan ditempatkan di itu mati lemas) dan "koreksi" oleh tanaman. Priestley menyimpulkan bahwa tanaman mengeluarkan oksigen, yang diperlukan untuk respirasi dan pembakaran, tetapi tidak memperhatikan bahwa tanaman membutuhkan cahaya untuk ini. Hal ini segera ditunjukkan oleh Jan Ingenhaus.

Kemudian ditemukan bahwa, selain melepaskan oksigen, tanaman menyerap karbon dioksida dan, dengan partisipasi air, mensintesis bahan organik dalam cahaya. Dalam Mr Robert Mayer, atas dasar hukum kekekalan energi, ia mendalilkan bahwa tanaman mengubah energi sinar matahari menjadi energi ikatan kimia. Dalam Mr. W. Pfeffer menyebut proses ini fotosintesis.

Klorofil pertama kali diisolasi di P. J. Pelletier dan J. Cavent. MS Tsvet berhasil memisahkan pigmen dan mempelajarinya secara terpisah menggunakan metode kromatografi yang dibuatnya. Spektrum serapan klorofil dipelajari oleh KA Timiryazev, yang mengembangkan ketentuan Mayer, menunjukkan bahwa sinar yang diserap memungkinkan untuk meningkatkan energi sistem dengan menciptakan CC berenergi tinggi alih-alih ikatan CO dan OH yang lemah. (sebelumnya diyakini bahwa dalam fotosintesis menggunakan sinar kuning yang tidak diserap oleh pigmen daun). Hal ini dilakukan berkat metode yang dia ciptakan untuk menghitung fotosintesis dengan menyerap CO 2: dalam percobaan menerangi tanaman dengan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda ( warna berbeda) ternyata intensitas fotosintesis bertepatan dengan spektrum serapan klorofil.

Esensi redoks fotosintesis (baik oksigen dan anoksigenik) didalilkan oleh Cornelis van Neel, yang juga membuktikan pada tahun 1931 bahwa bakteri ungu-bakteri dan bakteri belerang hijau melakukan fotosintesis anoksigenik. Sifat redoks fotosintesis berarti bahwa oksigen dalam fotosintesis oksigen terbentuk seluruhnya dari air, yang secara eksperimental dikonfirmasi di kota A.P. Vinogradov dalam eksperimen dengan pelabelan isotop. Dalam Mr Robert Hill ditemukan bahwa proses oksidasi air (dan pelepasan oksigen), serta asimilasi CO2 dapat dipisahkan. Dalam - gg.

Tumbuhan memperoleh air dan mineral dari akarnya. Daun memberikan nutrisi tanaman organik. Tidak seperti akar, mereka tidak berada di tanah, tetapi di udara, oleh karena itu mereka tidak melakukan tanah, tetapi nutrisi udara.

Dari sejarah studi nutrisi udara tanaman

Pengetahuan tentang nutrisi tanaman telah terakumulasi secara bertahap.

Sekitar 350 tahun yang lalu, ilmuwan Belanda Jan Helmont pertama kali melakukan percobaan pada studi nutrisi tanaman. Dalam pot tanah liat dengan tanah, ia menanam pohon willow, hanya menambahkan air di sana. Ilmuwan dengan hati-hati menimbang daun yang jatuh. Lima tahun kemudian, massa willow, bersama dengan daun-daun yang jatuh, meningkat 74,5 kg, dan massa tanah hanya berkurang 57 g. Berdasarkan ini, Helmont sampai pada kesimpulan bahwa semua zat dalam tanaman terbentuk bukan dari tanah. , tapi dari air. Pendapat bahwa tanaman bertambah besar hanya karena air bertahan sampai akhir abad ke-18.

Pada tahun 1771, ahli kimia Inggris Joseph Priestley mempelajari karbon dioksida, atau "udara manja" sebagaimana ia menyebutnya, dan membuat penemuan yang luar biasa. Jika Anda menyalakan lilin dan menutupinya dengan tutup kaca, maka setelah menyala sedikit, lilin itu akan padam.

Seekor tikus di bawah topi seperti itu mulai mati lemas. Namun, jika cabang mint ditempatkan di bawah tutup bersama dengan mouse, maka mouse tidak mati lemas dan terus hidup. Ini berarti bahwa tanaman "memperbaiki" udara yang dirusak oleh napas hewan, yaitu, mereka mengubah karbon dioksida menjadi oksigen.

Pada tahun 1862, ahli botani Jerman Julius Sachs membuktikan melalui eksperimen bahwa tanaman hijau tidak hanya melepaskan oksigen, tetapi juga menciptakan zat organik yang berfungsi sebagai makanan bagi semua organisme lain.

Fotosintesis

Perbedaan utama antara tumbuhan hijau dan organisme hidup lainnya adalah keberadaan kloroplas dalam sel mereka yang mengandung klorofil. Klorofil memiliki kemampuan untuk menangkap sinar matahari, energi yang diperlukan untuk membuat zat organik. Proses pembentukan bahan organik dari karbon dioksida dan air dengan bantuan energi matahari disebut fotosintesis (Yunani: pholos cahaya). Dalam proses fotosintesis, tidak hanya zat organik yang terbentuk - gula, tetapi juga oksigen yang dilepaskan.

Secara skematis, proses fotosintesis dapat digambarkan sebagai berikut:

Air diserap oleh akar dan bergerak melalui sistem konduksi dari akar dan batang ke daun. Karbondioksida merupakan penyusun udara. Masuk ke daun melalui stomata yang terbuka. Struktur daun berkontribusi pada penyerapan karbon dioksida: permukaan rata bilah daun, yang meningkatkan area kontak dengan udara, dan keberadaan jumlah yang besar stomata di kulit.

Gula yang terbentuk sebagai hasil fotosintesis diubah menjadi pati. Pati merupakan zat organik yang tidak larut dalam air. Yang mudah dideteksi dengan larutan yodium.

Bukti pembentukan pati pada daun yang terkena cahaya

Mari kita buktikan bahwa dalam daun hijau tumbuhan, pati terbentuk dari karbon dioksida dan air. Untuk melakukan ini, pertimbangkan eksperimen, yang pernah dilakukan oleh Julius Sachs.

Tanaman hias (geranium atau primrose) disimpan selama dua hari di tempat gelap sehingga semua pati digunakan untuk proses vital. Kemudian beberapa lembar daun ditutup pada kedua sisinya dengan kertas hitam sehingga hanya sebagian yang tertutup. Pada siang hari, tanaman terkena cahaya, dan pada malam hari juga diterangi dengan lampu meja.

Setelah sehari, daun yang dipelajari dipotong. Untuk mengetahui bagian mana dari pati daun yang telah terbentuk, daun direbus dengan cara direbus (agar butiran pati membengkak), kemudian disimpan dalam alkohol panas (klorofil larut dan daun berubah warna). Kemudian daunnya dicuci dengan air dan diolah dengan larutan yodium yang lemah. Bagian daun yang terkena cahaya memperoleh warna biru dari aksi yodium. Ini berarti bahwa pati terbentuk di sel-sel bagian daun yang diterangi. Oleh karena itu, fotosintesis hanya terjadi dengan adanya cahaya.

Bukti kebutuhan karbon dioksida untuk fotosintesis

Untuk membuktikan bahwa karbon dioksida diperlukan untuk membentuk pati dalam daun, tanaman dalam ruangan juga sebelumnya disimpan dalam gelap. Kemudian salah satu daunnya dimasukkan ke dalam labu yang diberi sedikit air kapur. Labu ditutup dengan kapas. Tanaman itu terpapar. Karbon dioksida diserap oleh air kapur, sehingga tidak akan berada di dalam labu. Daun dipotong, dan, seperti pada percobaan sebelumnya, diperiksa keberadaan pati. Itu disimpan di air panas dan alkohol, diperlakukan dengan larutan yodium. Namun, dalam hal ini, hasil percobaan akan berbeda: lembaran tidak dicat warna biru, karena itu tidak mengandung pati. Oleh karena itu, untuk pembentukan pati, selain cahaya dan air, diperlukan karbon dioksida.

Jadi, kami menjawab pertanyaan tentang jenis makanan apa yang diterima tanaman dari udara. Pengalaman telah menunjukkan bahwa itu adalah karbon dioksida. Hal ini diperlukan untuk pembentukan bahan organik.

Organisme yang secara mandiri menciptakan zat organik untuk membangun tubuhnya disebut autotrof (Yunani autos - diri, trofe - makanan).

Bukti pembentukan oksigen selama fotosintesis

Untuk membuktikan bahwa selama fotosintesis, tanaman melepaskan oksigen ke lingkungan eksternal, pertimbangkan percobaan dengan tanaman air Elodea. Tunas Elodea diturunkan ke dalam wadah berisi air dan ditutup dengan corong dari atas. Tempatkan tabung reaksi berisi air di ujung corong. Tanaman terkena cahaya selama dua sampai tiga hari. Elodea mengeluarkan gelembung gas saat terkena cahaya. Mereka menumpuk di bagian atas tabung, menggantikan air. Untuk mengetahui jenis gas apa itu, tabung reaksi dikeluarkan dengan hati-hati dan serpihan yang membara dimasukkan ke dalamnya. Obor menyala terang. Ini berarti bahwa oksigen telah terakumulasi dalam labu, mendukung pembakaran.

Peran ruang tanaman

Tumbuhan yang mengandung klorofil mampu menyerap energi matahari. Oleh karena itu, K.A. Timiryazev menyebut peran mereka di Bumi sebagai kosmik. Sebagian energi matahari yang tersimpan dalam bahan organik dapat disimpan dalam waktu yang lama. Batubara, gambut, minyak dibentuk oleh zat yang diciptakan oleh tanaman hijau di zaman geologis kuno dan menyerap energi Matahari. Dengan membakar bahan alami yang mudah terbakar, seseorang melepaskan energi yang tersimpan jutaan tahun lalu oleh tanaman hijau.

Fotosintesis (Pengujian)

1. Organisme yang membentuk zat organik hanya dari zat organik:

1.heterotrof

2. autotrof

3.kemotrof

4. mixotrof

2. Pada fase terang fotosintesis terjadi hal-hal sebagai berikut:

1.pembentukan ATP

2. pembentukan glukosa

3. pelepasan karbon dioksida

4. pembentukan karbohidrat

3. Selama fotosintesis, oksigen terbentuk, yang dilepaskan dalam proses:

1.Biosintesis protein

2.fotolisis

3. eksitasi molekul klorofil

4. Senyawa karbon dioksida dan air

4. Sebagai hasil fotosintesis, energi cahaya diubah menjadi:

1. energi panas

2.Energi kimia senyawa anorganik

3. energi listrik energi panas

4. energi kimia senyawa organik

5. Respirasi anaerob pada organisme hidup berlangsung dalam proses:

1. oksidasi oksigen

2.fotosintesis

3. fermentasi

4.Kemosintesis

6. Produk akhir oksidasi karbohidrat di dalam sel adalah:

1.ADP dan air

2. amonia dan karbon dioksida

3. air dan karbon dioksida

4.amonia, karbon dioksida dan air

7. Aktif tahap persiapan hidrolisis terjadi ketika karbohidrat dipecah:

1. selulosa menjadi glukosa

2. protein menjadi asam amino

3.DNA menjadi nukleotida

4. lemak menjadi gliserol dan asam karboksilat

8. Enzim memberikan oksidasi oksigen:

1. Saluran pencernaan dan lisosom

2. sitoplasma

3.mitokondria

4.plastida

9. Selama glikolisis, 3 mol glukosa disimpan dalam bentuk ATP:

10. Dua mol glukosa mengalami oksidasi lengkap dalam sel hewan, sementara karbon dioksida dilepaskan:

11. Dalam proses kemosintesis, organisme mengubah energi oksidasi:

1. senyawa belerang

2. senyawa organik

3.pati

12. Satu gen sesuai dengan informasi tentang molekul:

1. asam amino

2.pati

4.nukleotida

13. Kode genetik terdiri dari tiga nukleotida, yang artinya:

1. spesifik

2. berlebihan

3.universal

4. kembar tiga

14. Dalam kode genetik, satu asam amino sesuai dengan 2-6 kembar tiga, ini memanifestasikan dirinya:

1.kontinuitas

2. redundansi

3. keserbagunaan

4.kekhususan

15. Jika komposisi nukleotida DNA adalah ATT-CHC-TAT, maka komposisi nukleotida i-RNA:
1.TAA-CHTs-UTA

2.UAA-GCG-AUA

3.UAA-CHC-AUA

4.UAA-CHC-ATA

16. Sintesis protein tidak terjadi pada ribosom sendiri di:

1.virus mosaik tembakau

2. Drosophila

3.ant

4.Vibrio cholerae

17. Antibiotik:

1. adalah protein darah pelindung

2. mensintesis protein baru di dalam tubuh

3. adalah patogen yang dilemahkan

4.menghambat sintesis protein patogen

18. Bagian molekul DNA tempat replikasi terjadi memiliki 30.000 nukleotida (kedua untai). Untuk replikasi Anda perlu:

19. Berapa banyak asam amino berbeda yang dapat diangkut oleh satu t-RNA:

1. selalu satu

2. selalu berdua

3.selalu tiga

4. Beberapa mungkin membawa satu, beberapa mungkin membawa beberapa.

20. Wilayah DNA dari mana transkripsi terjadi mengandung 153 nukleotida; polipeptida dikodekan di wilayah ini dari:

1.153 asam amino

2.51 asam amino

3.49 asam amino

4.459 asam amino

21. Selama fotosintesis, oksigen terbentuk sebagai hasil dari

1. air fotosintesis

2. dekomposisi gas karbon

3. reduksi karbon dioksida menjadi glukosa

4. Sintesis ATP

Selama proses fotosintesis,

1. sintesis karbohidrat dan pelepasan oksigen

2. Penguapan air dan penyerapan oksigen

3. pertukaran gas dan sintesis lipid

4. pelepasan karbon dioksida dan sintesis protein

23. Dalam fase terang fotosintesis, energi sinar matahari digunakan untuk mensintesis molekul

1. lipid

2. protein

3. asam nukleat

24. Di bawah pengaruh energi sinar matahari, elektron naik ke tingkat energi yang lebih tinggi dalam molekul

1. tupai

2. glukosa

3. klorofil

4. biosintesis protein

25. Sel tumbuhan, seperti sel hewan, menerima energi dalam prosesnya. .

1. Oksidasi zat organik

2. biosintesis protein

3. sintesis lipid

4. Sintesis asam nukleat

Fotosintesis terjadi di kloroplas sel tumbuhan. Kloroplas mengandung pigmen klorofil, yang terlibat dalam proses fotosintesis dan memberi warna hijau pada tumbuhan. Oleh karena itu fotosintesis hanya terjadi di bagian hijau tumbuhan.

Fotosintesis adalah proses pembentukan bahan organik dari bahan anorganik. Secara khusus, glukosa adalah zat organik, dan air dan karbon dioksida adalah anorganik.

Cahaya matahari juga penting untuk berlangsungnya fotosintesis. Energi cahaya disimpan dalam ikatan kimia bahan organik. Inilah poin utama fotosintesis: untuk mengikat energi, yang nantinya akan digunakan untuk mempertahankan kehidupan tumbuhan atau hewan yang akan memakan tumbuhan ini. Bahan organik hanyalah sebuah bentuk, cara untuk menyimpan energi matahari.

Ketika fotosintesis berlangsung dalam sel, berbagai reaksi terjadi di kloroplas dan pada membrannya.

Tidak semuanya membutuhkan cahaya. Oleh karena itu, ada dua fase fotosintesis: terang dan gelap. Fase gelap tidak memerlukan cahaya dan dapat terjadi pada malam hari.

Karbon dioksida memasuki sel dari udara melalui permukaan tanaman. Air mengalir dari akar ke batang.

Sebagai hasil dari proses fotosintesis, tidak hanya bahan organik yang terbentuk, tetapi juga oksigen. Oksigen dilepaskan ke udara melalui permukaan tanaman.

Glukosa yang terbentuk sebagai hasil fotosintesis ditransfer ke sel lain, berubah menjadi pati (disimpan), dan digunakan untuk proses kehidupan.

Organ utama di mana fotosintesis berlangsung di sebagian besar tanaman adalah daun. Di dalam daun terdapat banyak sel fotosintesis yang membentuk jaringan fotosintesis.

Karena sinar matahari penting untuk fotosintesis, daun biasanya memiliki luas permukaan yang besar. Dengan kata lain, mereka datar dan tipis. Agar cahaya dapat mencapai semua daun, pada tumbuhan diatur sedemikian rupa sehingga hampir tidak saling mengaburkan.

Jadi, agar proses fotosintesis berlangsung, karbon dioksida, air dan cahaya. Hasil fotosintesis adalah bahan organik (glukosa) dan oksigen. Fotosintesis terjadi di kloroplas, yang paling banyak ditemukan di daun.

Pada tumbuhan (terutama di daunnya), fotosintesis terjadi dalam cahaya. Ini adalah proses di mana zat organik glukosa (sejenis gula) terbentuk dari karbon dioksida dan air. Selanjutnya, glukosa dalam sel diubah menjadi zat yang lebih kompleks, pati. Baik glukosa dan pati adalah karbohidrat.

Dalam proses fotosintesis, tidak hanya bahan organik yang dihasilkan, tetapi oksigen juga dilepaskan sebagai produk sampingan.

Karbon dioksida dan air adalah zat anorganik, sedangkan glukosa dan pati adalah organik.

Oleh karena itu, sering dikatakan bahwa fotosintesis adalah proses pembentukan zat organik dari zat anorganik di dalam cahaya. Hanya tumbuhan, beberapa eukariota bersel tunggal, dan beberapa bakteri yang mampu melakukan fotosintesis. Tidak ada proses seperti itu di sel hewan dan jamur, sehingga mereka dipaksa untuk menyerap zat organik dari lingkungan. Dalam hal ini, tumbuhan disebut autotrof, dan hewan dan jamur disebut heterotrof.

Proses fotosintesis pada tumbuhan berlangsung di kloroplas, yang mengandung pigmen hijau klorofil.

Jadi, agar fotosintesis berlangsung, Anda perlu:

klorofil,

karbon dioksida.

Proses fotosintesis menghasilkan :

bahan organik,

oksigen.

Tumbuhan beradaptasi untuk menangkap cahaya. Di banyak tanaman herba, daun dikumpulkan dalam apa yang disebut roset basal, ketika daun tidak saling menaungi. Pohon dicirikan oleh mosaik daun, di mana daun tumbuh sedemikian rupa untuk mengaburkan satu sama lain sesedikit mungkin. Pada tumbuhan, helaian daun dapat membelok ke arah cahaya karena pembengkokan tangkai daun. Dengan semua ini, ada tanaman yang menyukai naungan yang hanya bisa tumbuh di tempat teduh.

Airuntuk fotosintesistibake dalam daundari akarnyasepanjang batang. Karena itu, penting agar tanaman menerima kelembaban yang cukup. Dengan kekurangan air dan mineral tertentu, proses fotosintesis terhambat.

Karbon dioksidadiambil untuk fotosintesissecara langsungkehabisan udaradaun-daun. Oksigen, yang dihasilkan oleh tanaman selama fotosintesis, sebaliknya, dilepaskan ke udara. Pertukaran gas difasilitasi oleh ruang antar sel (celah antar sel).

Zat organik yang terbentuk dalam proses fotosintesis sebagian digunakan di daun itu sendiri, tetapi sebagian besar mengalir ke semua organ lain dan berubah menjadi zat organik lain, digunakan dalam metabolisme energi, dan diubah menjadi nutrisi cadangan.

Fotosintesis

Fotosintesis- proses sintesis zat organik karena energi cahaya. Organisme yang mampu mensintesis zat organik dari senyawa anorganik disebut autotrof. Fotosintesis hanya merupakan karakteristik sel organisme autotrofik. Organisme heterotrof tidak mampu mensintesis zat organik dari senyawa anorganik.
Sel tumbuhan hijau dan beberapa bakteri memiliki struktur khusus dan kompleks bahan kimia yang memungkinkan mereka menangkap energi sinar matahari.

Peran kloroplas dalam fotosintesis

Dalam sel tumbuhan ada formasi mikroskopis - kloroplas. Ini adalah organel di mana energi dan cahaya diserap dan diubah menjadi energi ATP dan molekul lain - pembawa energi. Butir kloroplas mengandung klorofil, zat organik kompleks. Klorofil menangkap energi cahaya untuk digunakan dalam biosintesis glukosa dan zat organik lainnya. Enzim yang diperlukan untuk sintesis glukosa juga terletak di kloroplas.

Fase terang fotosintesis

Kuantum cahaya merah yang diserap oleh klorofil membuat elektron menjadi tereksitasi. Elektron yang tereksitasi oleh cahaya memperoleh pasokan energi yang besar, sebagai akibatnya ia bergerak ke tingkat energi yang lebih tinggi. Elektron yang tereksitasi oleh cahaya dapat dibandingkan dengan batu yang diangkat ke ketinggian, yang juga memperoleh energi potensial. Dia kehilangan dia dengan jatuh dari ketinggian. Elektron yang tereksitasi, seolah-olah dalam langkah-langkah, bergerak di sepanjang rantai senyawa organik kompleks yang tertanam dalam kloroplas. Pindah dari satu tahap ke tahap lainnya, elektron kehilangan energi, yang digunakan untuk sintesis ATP. Elektron yang membuang energi kembali ke klorofil. Bagian baru dari energi cahaya kembali menggairahkan elektron klorofil. Sekali lagi mengikuti jalan yang sama, menghabiskan energi untuk pembentukan molekul ATP.
Ion hidrogen dan elektron, yang diperlukan untuk mereduksi molekul pembawa energi, terbentuk selama pemecahan molekul air. Pemecahan molekul air dalam kloroplas dilakukan oleh protein khusus di bawah pengaruh cahaya. Proses ini disebut fotolisis air.
Dengan demikian, energi sinar matahari langsung digunakan oleh sel tumbuhan untuk:
1. eksitasi elektron klorofil, energi yang selanjutnya dihabiskan untuk pembentukan ATP dan molekul pembawa energi lainnya;
2. fotolisis air, memasok ion hidrogen dan elektron ke fase cahaya fotosintesis.
Dalam hal ini, oksigen dilepaskan sebagai produk sampingan dari reaksi fotolisis.

Tahap di mana, karena energi cahaya, senyawa kaya energi terbentuk - ATP dan molekul pembawa energi, ditelepon fase terang fotosintesis.

Fase gelap fotosintesis

Kloroplas mengandung gula lima karbon, salah satunya adalah ribulosa difosfat, adalah pemulung karbon dioksida. Enzim khusus mengikat gula berkarbon lima dengan karbon dioksida di udara. Dalam hal ini, senyawa terbentuk yang, karena energi ATP dan molekul pembawa energi lainnya, direduksi menjadi molekul glukosa enam karbon.

Dengan demikian, energi cahaya yang diubah selama fase cahaya menjadi energi ATP dan molekul pembawa energi lainnya digunakan untuk mensintesis glukosa.

Proses ini dapat berlangsung dalam gelap.
Dimungkinkan untuk mengisolasi kloroplas dari sel tumbuhan, yang melakukan fotosintesis dalam tabung reaksi di bawah pengaruh cahaya - mereka membentuk molekul glukosa baru, sambil menyerap karbon dioksida. Jika penerangan kloroplas dihentikan, maka sintesis glukosa juga terhenti. Namun, jika ATP dan molekul pembawa energi tereduksi ditambahkan ke kloroplas, maka sintesis glukosa dilanjutkan dan dapat dilanjutkan dalam gelap. Artinya, cahaya sangat dibutuhkan hanya untuk sintesis ATP dan pengisian molekul pembawa energi. Penyerapan karbon dioksida dan pembentukan glukosa pada tanaman ditelepon fase gelap fotosintesis karena dia bisa berjalan dalam kegelapan.
Pencahayaan yang intens, peningkatan karbon dioksida di udara menyebabkan peningkatan aktivitas fotosintesis.

Catatan Biologi Lainnya

Artikel menarik lainnya:

FOTOSINTESIS
pembentukan oleh sel tumbuhan hidup zat organik, seperti gula dan pati, dari zat anorganik - dari CO2 dan air - menggunakan energi cahaya yang diserap oleh pigmen tumbuhan. Ini adalah proses produksi makanan di mana semua makhluk hidup - tumbuhan, hewan dan manusia - bergantung. Semua tanaman darat dan sebagian besar tanaman air melepaskan oksigen selama fotosintesis. Beberapa organisme, bagaimanapun, dicirikan oleh jenis fotosintesis lain yang berlangsung tanpa pelepasan oksigen. Reaksi utama fotosintesis, yang berlangsung dengan pelepasan oksigen, dapat ditulis sebagai berikut:

Zat organik mencakup semua senyawa karbon kecuali oksida dan nitridanya. Zat organik seperti karbohidrat (terutama gula dan pati), asam amino (dari mana protein dibangun) dan, akhirnya, asam lemak (yang, dalam kombinasi dengan gliserofosfat, berfungsi sebagai bahan untuk sintesis lemak) terbentuk dalam jumlah terbesar. jumlah selama fotosintesis. Dari zat anorganik, sintesis semua senyawa ini membutuhkan air (H2O) dan karbon dioksida (CO2). Asam amino juga membutuhkan nitrogen dan belerang. Tumbuhan dapat mengambil unsur-unsur ini dalam bentuk oksidanya, nitrat (NO3-) dan sulfat (SO42-), atau dalam bentuk lain yang lebih tereduksi seperti amonia (NH3) atau hidrogen sulfida (hidrogen sulfida H2S). Selama fotosintesis, fosfor juga dapat dimasukkan dalam komposisi senyawa organik (tanaman menyerapnya dalam bentuk fosfat) dan ion logam - besi dan magnesium. Mangan dan beberapa elemen lain juga diperlukan untuk fotosintesis, tetapi hanya dalam jumlah sedikit. Pada tumbuhan darat, semua senyawa anorganik ini, kecuali CO2, masuk melalui akar. Tumbuhan menerima CO2 dari udara atmosfer, di mana konsentrasi rata-ratanya adalah 0,03%. CO2 memasuki daun, dan O2 dilepaskan dari daun melalui lubang kecil di epidermis yang disebut stomata. Pembukaan dan penutupan stomata diatur oleh sel khusus - mereka disebut sel penjaga - juga hijau dan mampu melakukan fotosintesis. Ketika cahaya jatuh pada sel penjaga, fotosintesis dimulai di dalamnya. Akumulasi produknya memaksa sel-sel ini untuk meregang. Dalam hal ini, bukaan stomata terbuka lebih lebar, dan CO2 menembus ke lapisan bawah daun, yang sel-selnya sekarang dapat melanjutkan fotosintesis. Stomata juga mengatur penguapan air oleh daun, yang disebut. transpirasi, karena sebagian besar uap air melewati bukaan ini. Tumbuhan air memperoleh semua nutrisi yang mereka butuhkan dari air tempat mereka hidup. CO2 dan ion bikarbonat (HCO3-) juga ditemukan di laut dan air tawar. Alga dan tanaman air lainnya mendapatkannya langsung dari air. Cahaya dalam fotosintesis berperan tidak hanya sebagai katalis, tetapi juga salah satu reaktan. Sebagian besar energi cahaya yang digunakan oleh tanaman selama fotosintesis disimpan dalam bentuk energi potensial kimia dalam produk fotosintesis. Untuk fotosintesis, dengan pelepasan oksigen, cahaya tampak apa pun dari ungu (panjang gelombang 400 nm) hingga merah sedang (700 nm) kurang lebih cocok. Pada beberapa jenis fotosintesis bakteri yang tidak disertai pelepasan O2, cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang, hingga merah jauh (900 nm), dapat digunakan secara efektif. Penjelasan tentang sifat fotosintesis dimulai pada saat kelahiran kimia modern. Karya J. Priestley (1772), J. Ingenhaus (1780), J. Senebier (1782), serta studi kimia A. Lavoisier (1775, 1781) menghasilkan kesimpulan bahwa tanaman mengubah karbon dioksida menjadi oksigen dan proses ini membutuhkan cahaya. Peran air tetap tidak diketahui sampai N. Saussure menunjukkannya pada tahun 1808. Dalam eksperimennya yang sangat tepat, ia mengukur peningkatan berat kering tanaman yang tumbuh di pot tanah, dan juga menentukan jumlah karbon dioksida yang diserap dan oksigen yang dilepaskan. Saussure menegaskan bahwa semua karbon yang dimasukkan ke dalam bahan organik oleh tanaman berasal dari karbon dioksida. Pada saat yang sama, ia menemukan bahwa peningkatan bahan kering tanaman lebih besar daripada perbedaan antara berat karbon dioksida yang diserap dan berat oksigen yang dilepaskan. Karena berat tanah dalam pot tidak berubah secara signifikan, satu-satunya sumber kenaikan berat badan yang mungkin adalah air. Jadi ditunjukkan bahwa salah satu reaktan dalam fotosintesis adalah air. Pentingnya fotosintesis sebagai salah satu proses konversi energi tidak dapat dihargai sampai konsep energi kimia muncul. Pada tahun 1845, R. Mayer sampai pada kesimpulan bahwa selama fotosintesis, energi cahaya diubah menjadi energi potensial kimia yang tersimpan dalam produknya.

Persamaan tersebut menunjukkan bahwa pada tumbuhan hijau, enam molekul air dan enam molekul karbon dioksida membentuk satu molekul glukosa dan enam molekul oksigen karena energi cahaya. Glukosa hanyalah salah satu dari banyak karbohidrat yang disintesis dalam tumbuhan. Berikut ini adalah persamaan umum untuk pembentukan karbohidrat dengan n karbon dalam sebuah molekul:

Persamaan yang menggambarkan pembentukan senyawa organik lainnya tidak begitu sederhana. Untuk sintesis asam amino, diperlukan senyawa anorganik tambahan, seperti dalam pembentukan sistein:

Peran cahaya sebagai reaktan dalam proses fotosintesis lebih mudah dibuktikan jika kita beralih ke reaksi kimia lain, yaitu pembakaran. Glukosa merupakan salah satu subunit selulosa, komponen utama kayu. Pembakaran glukosa dijelaskan dengan persamaan berikut:

Persamaan ini merupakan kebalikan dari persamaan fotosintesis glukosa, kecuali fakta bahwa alih-alih energi cahaya, terutama panas yang dilepaskan. Menurut hukum kekekalan energi, jika energi dilepaskan selama pembakaran, maka selama reaksi sebaliknya, yaitu. selama fotosintesis, itu harus diserap. Analog biologis dari pembakaran adalah respirasi, jadi respirasi digambarkan dengan persamaan yang sama dengan pembakaran non-biologis. Untuk semua sel hidup, kecuali sel tumbuhan hijau di tempat terang, reaksi biokimia berfungsi sebagai sumber energi. Respirasi adalah proses biokimia utama yang melepaskan energi yang tersimpan selama fotosintesis, meskipun rantai makanan yang panjang dapat terletak di antara kedua proses ini. Aliran masuk konstan energi diperlukan untuk setiap manifestasi aktivitas kehidupan, dan energi cahaya, yang diubah fotosintesis menjadi energi potensial kimia zat organik dan digunakan untuk melepaskan oksigen bebas, adalah satu-satunya sumber energi utama yang penting bagi semua makhluk hidup. Sel hidup kemudian mengoksidasi ("membakar") zat organik ini dengan bantuan oksigen, dan sebagian energi yang dilepaskan ketika oksigen bergabung dengan karbon, hidrogen, nitrogen, dan belerang disimpan untuk digunakan dalam berbagai proses kehidupan, seperti pergerakan atau pertumbuhan. Menggabungkan dengan unsur-unsur yang terdaftar, oksigen membentuk oksida - karbon dioksida, air, nitrat dan sulfat. Dengan demikian siklus berakhir. Mengapa oksigen bebas, satu-satunya sumber yang di Bumi adalah fotosintesis, sangat diperlukan untuk semua makhluk hidup? Alasannya adalah reaktivitasnya yang tinggi. Awan elektron atom oksigen netral memiliki dua elektron lebih sedikit daripada yang dibutuhkan untuk konfigurasi elektron yang paling stabil. Oleh karena itu, atom oksigen memiliki kecenderungan kuat untuk memperoleh dua elektron tambahan, yang dicapai dengan menggabungkan (pembentukan dua ikatan) dengan atom lain. Sebuah atom oksigen dapat membentuk dua ikatan dengan dua ikatan atom yang berbeda atau membentuk ikatan rangkap dengan satu atom. Dalam setiap ikatan ini, satu elektron dipasok oleh atom oksigen, dan elektron kedua disuplai oleh atom lain yang berpartisipasi dalam pembentukan ikatan. Dalam molekul air (H2O), misalnya, masing-masing dari dua atom hidrogen memasok satu-satunya elektron untuk membentuk ikatan dengan oksigen, sehingga memenuhi kecenderungan yang melekat pada oksigen untuk memperoleh dua elektron tambahan. Dalam molekul CO2, masing-masing dari dua atom oksigen membentuk ikatan rangkap dengan atom karbon yang sama, yang memiliki empat elektron ikatan. Jadi, baik dalam H2O maupun CO2, atom oksigen memiliki elektron sebanyak yang diperlukan untuk konfigurasi yang stabil. Namun, jika dua atom oksigen terhubung satu sama lain, maka orbital elektron dari atom-atom ini hanya memungkinkan satu ikatan terjadi. Kebutuhan elektron dengan demikian hanya setengah terpenuhi. Oleh karena itu, molekul O2 kurang stabil dan lebih reaktif dibandingkan molekul CO2 dan H2O. Produk organik fotosintesis, seperti karbohidrat, (CH2O)n, cukup stabil, karena di dalamnya masing-masing atom karbon, hidrogen, dan oksigen menerima elektron sebanyak yang diperlukan untuk membentuk konfigurasi yang paling stabil. Proses fotosintesis, yang menghasilkan pembentukan karbohidrat, oleh karena itu mengubah dua zat yang sangat stabil, CO2 dan H2O, menjadi zat yang cukup stabil, (CH2O)n, dan zat yang kurang stabil, O2. Akumulasi O2 dalam jumlah besar di atmosfer sebagai hasil fotosintesis dan reaktivitasnya yang tinggi menentukan perannya sebagai oksidator universal. Ketika suatu unsur menyumbangkan elektron atau atom hidrogen, kita katakan bahwa unsur ini teroksidasi. Penambahan elektron atau pembentukan ikatan dengan hidrogen, seperti atom karbon dalam fotosintesis, disebut reduksi. Dengan menggunakan konsep ini, fotosintesis dapat didefinisikan sebagai oksidasi air yang digabungkan dengan reduksi karbon dioksida atau oksida anorganik lainnya.
Mekanisme fotosintesis. Tahap terang dan gelap. Sekarang ditetapkan bahwa fotosintesis berlangsung dalam dua tahap: terang dan gelap. Tahap cahaya adalah proses menggunakan cahaya untuk memecah air; oksigen dilepaskan dan senyawa kaya energi terbentuk. Tahap gelap mencakup sekelompok reaksi yang menggunakan produk energi tinggi dari tahap terang untuk mereduksi CO2 menjadi gula sederhana, mis. untuk asimilasi karbon. Oleh karena itu, tahap gelap disebut juga tahap sintesis. Istilah "panggung gelap" hanya berarti bahwa cahaya tidak secara langsung berpartisipasi di dalamnya. Ide-ide modern tentang mekanisme fotosintesis terbentuk atas dasar studi yang dilakukan pada 1930-1950-an. Sebelum ini, selama bertahun-tahun, para ilmuwan disesatkan oleh hipotesis yang tampaknya sederhana, tetapi salah, yang menurutnya O2 terbentuk dari CO2, dan karbon yang dilepaskan bereaksi dengan H2O, akibatnya karbohidrat terbentuk. Pada tahun 1930-an, ketika menjadi jelas bahwa beberapa bakteri belerang tidak melepaskan oksigen selama fotosintesis, ahli biokimia K. van Niel menyarankan bahwa oksigen yang dilepaskan selama fotosintesis pada tumbuhan hijau berasal dari air. Pada bakteri belerang, reaksi berlangsung sebagai berikut:

Alih-alih O2, organisme ini membentuk belerang. Van Niel sampai pada kesimpulan bahwa semua jenis fotosintesis dapat dijelaskan dengan persamaan

dimana X adalah oksigen dalam fotosintesis dengan pelepasan O2, dan belerang dalam fotosintesis bakteri belerang. Van Niel juga menyarankan bahwa proses ini mencakup dua tahap: tahap cahaya dan tahap sintesis. Hipotesis ini didukung oleh penemuan ahli fisiologi R. Hill. Dia menemukan bahwa sel-sel yang dihancurkan atau sebagian tidak aktif mampu melakukan reaksi dalam cahaya di mana oksigen dilepaskan, tetapi CO2 tidak dipulihkan (itu disebut reaksi Hill). Agar reaksi ini dapat berlangsung, perlu ditambahkan beberapa jenis zat pengoksidasi yang mampu mengikat elektron atau atom hidrogen yang disumbangkan oleh oksigen ke air. Salah satu pereaksi Hill adalah kuinon, yang dengan menambahkan dua atom hidrogen, berubah menjadi dihidrokuinon. Reagen Hill lainnya mengandung besi trivalen (ion Fe3+), yang, dengan menambahkan satu elektron dari oksigen air, berubah menjadi besi besi (Fe2+). Dengan demikian, ditunjukkan bahwa transisi atom hidrogen dari oksigen air menjadi karbon dapat terjadi dalam bentuk pergerakan elektron dan ion hidrogen yang independen. Sekarang telah ditetapkan bahwa transfer elektron dari satu atom ke atom lain yang penting untuk penyimpanan energi, sementara ion hidrogen dapat masuk ke larutan air dan, jika perlu, ambil lagi. Reaksi Hill, di mana energi cahaya digunakan untuk menyebabkan transfer elektron dari oksigen ke agen pengoksidasi (akseptor elektron), adalah demonstrasi pertama dari konversi energi cahaya menjadi energi kimia dan model untuk langkah cahaya fotosintesis. Hipotesis bahwa oksigen disuplai terus menerus dari air selama fotosintesis dikonfirmasi lebih lanjut dalam percobaan menggunakan air yang diberi label dengan isotop oksigen berat (18O). Karena isotop oksigen (16O biasa dan 18O berat) identik dalam sifat kimianya, tumbuhan menggunakan H218O dengan cara yang persis sama dengan H216O. Ternyata 18O hadir dalam oksigen yang dilepaskan. Pada percobaan lain, tumbuhan melakukan fotosintesis dengan H216O dan C18O2. Dalam hal ini, oksigen yang dilepaskan pada awal percobaan tidak mengandung 18O. Pada 1950-an, ahli fisiologi tumbuhan D. Arnon dan peneliti lain membuktikan bahwa fotosintesis mencakup tahap terang dan gelap. Sediaan yang mampu melakukan seluruh tahap cahaya diperoleh dari sel tumbuhan. Dengan menggunakan mereka, dimungkinkan untuk menetapkan bahwa dalam cahaya ada transfer elektron dari air ke oksidator fotosintesis, yang, sebagai hasilnya, menjadi donor elektron untuk pengurangan karbon dioksida pada tahap fotosintesis berikutnya. Pembawa elektron adalah nikotinamida adenin dinukleotida fosfat. Bentuk teroksidasinya disebut NADP +, dan bentuk tereduksi (terbentuk setelah penambahan dua elektron dan ion hidrogen) - NADPHN. Dalam NADP+, atom nitrogen adalah pentavalen (empat ikatan dan satu muatan positif), dan dalam NADPHN - trivalen (tiga ikatan). NADP+ milik apa yang disebut. koenzim. Koenzim, bersama dengan enzim, melakukan banyak reaksi kimia dalam sistem kehidupan, tetapi, tidak seperti enzim, mereka berubah selama reaksi. Sebagian besar energi cahaya yang dikonversi disimpan dalam tahap cahaya fotosintesis disimpan dalam transfer elektron dari air ke NADP+. NADPHH yang dihasilkan tidak menahan elektron sekuat oksigen air, dan dapat menyumbangkannya dalam sintesis senyawa organik, menghabiskan energi yang terakumulasi untuk pekerjaan kimia yang bermanfaat. Sejumlah besar energi disimpan dengan cara lain, yaitu dalam bentuk ATP (adenosin trifosfat). Ini dibentuk oleh penghilangan air dari ion fosfat anorganik (HPO42-) dan fosfat organik, adenosin difosfat (ADP), menurut persamaan berikut:

ATP adalah senyawa yang kaya energi, dan pembentukannya membutuhkan energi dari beberapa sumber. Dalam reaksi sebaliknya, yaitu ketika ATP dipecah menjadi ADP dan fosfat, energi dilepaskan. Dalam banyak kasus, ATP memberikan energinya ke senyawa kimia lain dalam reaksi di mana hidrogen digantikan oleh fosfat. Dalam reaksi di bawah ini, gula (ROH) difosforilasi menjadi gula fosfat:

Gula fosfat mengandung lebih banyak energi daripada gula yang tidak terfosforilasi, sehingga reaktivitasnya lebih tinggi. ATP dan NADPH, terbentuk (bersama dengan O2) pada tahap cahaya fotosintesis, kemudian digunakan pada tahap sintesis karbohidrat dan senyawa organik lainnya dari karbon dioksida.
Perangkat aparatus fotosintesis. Energi cahaya diserap oleh pigmen (yang disebut zat yang menyerap cahaya tampak). Semua tumbuhan yang melakukan fotosintesis memiliki berbagai bentuk pigmen hijau klorofil, dan mungkin semua mengandung karotenoid, biasanya berwarna kuning. Tumbuhan tingkat tinggi mengandung klorofil a (C55H72O5N4Mg) dan klorofil b (C55H70O6N4Mg), serta empat karotenoid utama: b-karoten (C40H56), lutein (C40H55O2), violaxanthin dan neoxanthin. Variasi pigmen ini memberikan jangkauan luas penyerapan cahaya tampak, karena masing-masing "disetel" ke wilayah spektrumnya sendiri. Beberapa alga memiliki kumpulan pigmen yang kira-kira sama, tetapi banyak dari mereka memiliki pigmen yang agak berbeda dari yang tercantum dalam sifat kimianya. Semua pigmen ini, seperti seluruh peralatan fotosintesis sel hijau, terbungkus dalam organel khusus yang dikelilingi oleh membran, yang disebut. kloroplas. Warna hijau sel tumbuhan hanya bergantung pada kloroplas; elemen sel yang tersisa tidak mengandung pigmen hijau. Ukuran dan bentuk kloroplas cukup bervariasi. Kloroplas khas berbentuk seperti mentimun sedikit melengkung, kira-kira. 1 m dan kira-kira. 4 m. Sel besar tumbuhan hijau, seperti sel daun di sebagian besar spesies terestrial, mengandung banyak kloroplas, sedangkan ganggang uniseluler kecil, seperti Chlorella pyrenoidosa, hanya memiliki satu kloroplas, menempati sebagian besar sel.
Mikroskop elektron memungkinkan Anda untuk mengenal struktur kloroplas yang sangat kompleks. Itu memungkinkan untuk mengungkapkan struktur yang jauh lebih kecil daripada yang terlihat di mikroskop cahaya konvensional. Dalam mikroskop cahaya, partikel yang lebih kecil dari 0,5 mikron tidak dapat dibedakan. Pada tahun 1961, resolusi mikroskop elektron memungkinkan untuk mengamati partikel seribu kali lebih kecil (pada orde 0,5 nm). Dengan bantuan mikroskop elektron dalam kloroplas, struktur membran sangat tipis, yang disebut. tilakoid. Ini adalah kantong datar, ditutup di tepi dan dikumpulkan dalam tumpukan, yang disebut grana; dalam gambar, biji-bijian terlihat seperti tumpukan pancake yang sangat tipis. Di dalam kantung ada ruang - rongga tilakoid, dan tilakoid itu sendiri, dikumpulkan dalam grana, direndam dalam massa protein larut seperti gel yang mengisi ruang internal kloroplas dan disebut stroma. Stroma juga mengandung tilakoid yang lebih kecil dan lebih tipis, yang menghubungkan grana individu satu sama lain. Semua membran tilakoid terdiri dari protein dan lipid dalam jumlah yang kira-kira sama. Terlepas dari apakah mereka dikumpulkan dalam biji-bijian atau tidak, di dalamnya pigmen terkonsentrasi dan panggung cahaya. Tahap gelap berlangsung, seperti yang diyakini secara umum, di stroma.
Fotosistem. Klorofil dan karotenoid, direndam dalam membran tilakoid kloroplas, dirakit menjadi unit fungsional - fotosistem, yang masing-masing mengandung sekitar 250 molekul pigmen. Struktur fotosistem sedemikian rupa sehingga dari semua molekul yang mampu menyerap cahaya ini, hanya satu molekul klorofil a, yang terletak dengan cara khusus, yang dapat menggunakan energinya dalam reaksi fotokimia - ini adalah pusat reaksi fotosistem. Molekul pigmen yang tersisa, menyerap cahaya, mentransfer energinya ke pusat reaksi; molekul pemanen cahaya ini disebut antena. Ada dua jenis fotosistem. Dalam fotosistem I, molekul klorofil a spesifik yang membentuk pusat reaksi memiliki serapan optimum pada panjang gelombang cahaya 700 nm (dilambangkan P700; P adalah pigmen), dan pada fotosistem II - pada 680 nm (P680). Biasanya, kedua fotosistem bekerja secara sinkron dan (dalam cahaya) terus menerus, meskipun fotosistem I dapat bekerja secara terpisah.
Transformasi energi cahaya. Pertimbangan masalah ini harus dimulai dengan fotosistem II, di mana energi cahaya digunakan oleh pusat reaksi P680. Ketika cahaya memasuki fotosistem ini, energinya mengeksitasi molekul P680, dan sepasang elektron tereksitasi yang tergabung dalam molekul ini terlepas dan dipindahkan ke molekul akseptor (mungkin kuinon), dilambangkan dengan huruf Q. Situasinya dapat dianggap sebagai sedemikian rupa sehingga elektron seperti akan melompat dari "dorongan" cahaya yang diterima dan akseptor menangkapnya di beberapa posisi atas. Jika bukan karena akseptor, elektron akan kembali ke posisi semula (ke pusat reaksi), dan energi yang dilepaskan selama gerakan ke bawah akan berubah menjadi cahaya, yaitu. dihabiskan untuk fluoresensi. Dari sudut pandang ini, akseptor elektron dapat dianggap sebagai pemadam fluoresensi (oleh karena itu penunjukannya Q, dari bahasa Inggris quench - quench).
Molekul P680, setelah kehilangan dua elektron, teroksidasi, dan agar prosesnya tidak berhenti, itu harus dipulihkan, mis. mendapatkan dua elektron dari beberapa sumber. Air berfungsi sebagai sumber seperti itu: air terurai menjadi 2H+ dan 1/2O2, menyumbangkan dua elektron ke P680 yang teroksidasi. Pemisahan air yang bergantung pada cahaya ini disebut fotolisis. Enzim yang melakukan fotolisis terletak di sisi dalam membran tilakoid, akibatnya semua ion hidrogen menumpuk di rongga tilakoid. Kofaktor yang paling penting dari enzim fotolisis adalah atom mangan. Transisi dua elektron dari pusat reaksi fotosistem ke akseptor adalah pendakian yang menanjak, yaitu. ke tingkat energi yang lebih tinggi, dan pengangkatan ini disediakan oleh energi cahaya. Selanjutnya, dalam fotosistem II, sepasang elektron memulai "penurunan" bertahap dari akseptor Q ke fotosistem I. Penurunan terjadi di sepanjang rantai transpor elektron, sangat mirip dalam organisasi dengan rantai serupa di mitokondria (lihat juga METABOLISME). Ini terdiri dari sitokrom, protein yang mengandung besi dan belerang, protein yang mengandung tembaga dan komponen lainnya. Penurunan bertahap elektron dari keadaan yang lebih berenergi ke keadaan yang kurang berenergi dikaitkan dengan sintesis ATP dari ADP dan fosfat anorganik. Akibatnya, energi cahaya tidak hilang, tetapi disimpan dalam ikatan fosfat ATP, yang dapat digunakan dalam proses metabolisme. Produksi ATP selama fotosintesis disebut fotofosforilasi. Pada saat yang sama seperti yang dijelaskan prosesnya adalah penyerapan cahaya dalam fotosistem I. Di sini, energinya juga digunakan untuk melepaskan dua elektron dari pusat reaksi (P700) dan mentransfernya ke akseptor - protein yang mengandung besi. Dari akseptor ini, melalui pembawa perantara (juga protein yang mengandung besi), kedua elektron pergi ke NADP +, yang sebagai hasilnya menjadi mampu mengikat ion hidrogen (terbentuk selama fotolisis air dan diawetkan dalam tilakoid) - dan berubah menjadi NADPH . Adapun pusat reaksi P700, yang teroksidasi pada awal proses, ia menerima dua elektron (“turun”) dari fotosistem II, yang mengembalikannya ke keadaan semula. Reaksi total tahap cahaya yang terjadi selama fotoaktivasi fotosistem I dan II dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Output energi total aliran elektron dalam hal ini adalah 1 molekul ATP dan 1 molekul NADPH per 2 elektron. Dengan membandingkan energi senyawa ini dengan energi cahaya yang menyediakan sintesisnya, dihitung bahwa sekitar 1/3 energi cahaya yang diserap disimpan dalam proses fotosintesis. Pada beberapa bakteri fotosintetik, fotosistem I beroperasi secara independen. Dalam hal ini, aliran elektron bergerak secara siklis dari pusat reaksi ke akseptor dan - sepanjang jalan memutar - kembali ke pusat reaksi. Dalam hal ini, fotolisis air dan evolusi oksigen tidak terjadi, NADPH tidak terbentuk, tetapi ATP disintesis. Mekanisme reaksi terang seperti itu juga dapat terjadi pada tumbuhan tingkat tinggi dalam kondisi ketika kelebihan NADPH muncul di dalam sel.
Reaksi gelap (tahap sintesis). Sintesis senyawa organik dengan reduksi CO2 (serta nitrat dan sulfat) juga terjadi di kloroplas. ATP dan NADPH yang disuplai oleh reaksi terang yang terjadi di membran tilakoid berfungsi sebagai sumber energi dan elektron untuk reaksi sintesis. Reduksi CO2 adalah hasil dari transfer elektron menjadi CO2. Selama transfer ini, beberapa ikatan C-O digantikan oleh koneksi S-N, S-S dan O-N. Proses tersebut terdiri dari sejumlah tahapan, beberapa di antaranya (15 atau lebih) membentuk sebuah siklus. Siklus ini ditemukan pada tahun 1953 oleh ahli kimia M. Calvin dan rekan-rekannya. Menggunakan dalam percobaan mereka, bukannya isotop karbon (stabil) biasa, isotop radioaktifnya, para peneliti ini dapat melacak jalur karbon dalam reaksi yang diteliti. Pada tahun 1961 Calvin dianugerahi untuk pekerjaan ini Penghargaan Nobel dalam kimia. Senyawa dengan tiga sampai tujuh atom karbon berpartisipasi dalam siklus Calvin. Semua komponen siklus, kecuali satu, adalah gula fosfat, mis. gula di mana satu atau dua gugus OH digantikan oleh gugus fosfat (-OPO3H-). Pengecualian adalah asam 3-fosfogliserat (PHA; 3-fosfogliserat), yang merupakan fosfat dari asam gula. Ini mirip dengan gula tiga karbon terfosforilasi (gliserofosfat), tetapi berbeda darinya karena memiliki gugus karboksil O=C-O-, yaitu. salah satu atom karbonnya terhubung ke atom oksigen melalui tiga ikatan. Lebih mudah untuk memulai deskripsi siklus dengan ribulosa monofosfat yang mengandung lima atom karbon (C5). ATP yang terbentuk pada tahap cahaya bereaksi dengan ribulosa monofosfat, mengubahnya menjadi ribulosa difosfat. Gugus fosfat kedua memberikan energi tambahan ribulosa difosfat, karena ia membawa sebagian energi yang tersimpan dalam molekul ATP. Oleh karena itu, kecenderungan untuk bereaksi dengan senyawa lain dan membentuk ikatan baru lebih menonjol dalam ribulosa difosfat. Gula C5 inilah yang mengikat CO2 untuk membentuk senyawa enam karbon. Yang terakhir ini sangat tidak stabil dan, di bawah pengaruh air, terurai menjadi dua fragmen - dua molekul FHA. Jika kita hanya mengingat perubahan jumlah atom karbon dalam molekul gula, maka tahap utama siklus ini, di mana CO2 ditetapkan (diasimilasi), dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Enzim yang mengkatalisis fiksasi CO2 (karboksilase spesifik) terdapat dalam kloroplas dalam jumlah yang sangat besar (lebih dari 16% dari total kandungan proteinnya); mengingat massa tumbuhan hijau yang sangat besar, ini mungkin merupakan protein paling melimpah di biosfer. Tahap selanjutnya terdiri dari fakta bahwa dua molekul FHA yang terbentuk dalam reaksi karboksilasi dipulihkan masing-masing dengan mengorbankan satu molekul NADPHH menjadi gula fosfat tiga karbon (triosa fosfat). Pengurangan ini terjadi sebagai akibat dari transfer dua elektron ke karbon dari gugus karboksil FHA. Namun, dalam hal ini juga, ATP diperlukan untuk memasok molekul dengan energi kimia tambahan dan meningkatkan reaktivitasnya. Tugas ini dilakukan oleh sistem enzim, yang mentransfer gugus fosfat terminal ATP ke salah satu atom oksigen dari gugus karboksil (terbentuk gugus), mis. FHA diubah menjadi asam difosfogliserat. Segera setelah NADPH menyumbangkan satu atom hidrogen ditambah satu elektron (yang setara dengan dua elektron ditambah ion hidrogen, H+) ke karbon dari gugus karboksil senyawa ini, satu koneksi C-O putus dan oksigen terikat dengan fosfor masuk ke fosfat anorganik, HPO42-, dan gugus karboksil O=C-O- berubah menjadi aldehida O=C-H. Yang terakhir adalah karakteristik dari kelas gula tertentu. Akibatnya, PHA dengan partisipasi ATP dan NADPH direduksi menjadi gula fosfat (triosa fosfat). Seluruh proses yang dijelaskan di atas dapat diwakili oleh persamaan berikut: 1) Ribulosa monofosfat + ATP -> Ribulosa difosfat + ADP 2) Ribulosa difosfat + CO2 -> Senyawa C6 tidak stabil 3) Senyawa C6 tidak stabil + H2O -> 2 PHA 4) FHA + ATP + NADPHN -> ADP + H2PO42- + triosa fosfat (C3). Hasil akhir dari reaksi 1-4 adalah pembentukan dua molekul triosa fosfat (C3) dari ribulosa monofosfat dan CO2 dengan konsumsi dua molekul NADPH dan tiga molekul ATP. Dalam rangkaian reaksi inilah seluruh kontribusi tahap cahaya - dalam bentuk ATP dan NADPH - untuk siklus reduksi karbon diwakili. Tentu saja, tahap cahaya tambahan harus memasok kofaktor ini untuk pengurangan nitrat dan sulfat dan untuk konversi FHA dan triosa fosfat yang terbentuk dalam siklus menjadi zat organik lainnya - karbohidrat, protein dan lemak. Signifikansi dari tahap-tahap berikutnya dari siklus adalah bahwa mereka mengarah pada regenerasi senyawa lima karbon, ribulosa monofosfat, yang diperlukan untuk melanjutkan siklus. Bagian dari siklus ini dapat ditulis sebagai berikut:

yang memberikan total 5C3 -> 3C5. Tiga molekul ribulosa monofosfat, terbentuk dari lima molekul triosa fosfat, diubah - setelah penambahan CO2 (karboksilasi) dan reduksi - menjadi enam molekul triosa fosfat. Jadi, sebagai hasil dari satu putaran siklus, satu molekul karbon dioksida termasuk dalam komposisi senyawa organik tiga karbon; tiga putaran siklus secara total memberikan molekul baru yang terakhir, dan untuk sintesis molekul gula enam karbon (glukosa atau fruktosa), dua molekul tiga karbon dan, karenanya, diperlukan 6 putaran siklus. Siklus menimbulkan bahan organik untuk reaksi di mana berbagai gula, asam lemak dan asam amino terbentuk, yaitu. "blok bangunan" dari pati, lemak dan protein. Fakta bahwa produk langsung fotosintesis tidak hanya karbohidrat, tetapi juga asam amino, dan mungkin asam lemak, juga ditetapkan dengan menggunakan label isotop - isotop radioaktif karbon. Kloroplas bukan hanya partikel yang diadaptasi untuk sintesis pati dan gula. Ini adalah "pabrik" yang sangat kompleks dan terorganisir dengan sempurna, yang tidak hanya mampu memproduksi semua bahan dari mana pabrik itu dibangun, tetapi juga memasok bagian-bagian sel dan organ-organ tanaman yang tidak melakukan fotosintesis sendiri dengan karbon tereduksi. senyawa.
LITERATUR
Edwards J., Walker D. C3 dan C4 fotosintesis tanaman: mekanisme dan regulasi. M., 1986 Raven P., Evert R., Eickhorn S. Botani modern, vol. 1. M., 1990

Ensiklopedia Collier. - Masyarakat terbuka. 2000 .

Tanaman mendapatkan semua yang mereka butuhkan untuk pertumbuhan dan perkembangan dari lingkungan. Dalam hal ini mereka berbeda dari organisme hidup lainnya. Agar mereka berkembang dengan baik, mereka membutuhkan tanah yang subur, penyiraman alami atau buatan dan pencahayaan yang baik. Tidak ada yang akan tumbuh dalam kegelapan.

Tanah adalah sumber air dan senyawa organik nutrisi, elemen jejak. Tapi pohon, bunga, rerumputan juga membutuhkan energi matahari. Di bawah pengaruh sinar matahari reaksi tertentu terjadi, akibatnya karbon dioksida yang diserap dari udara diubah menjadi oksigen. Proses ini disebut fotosintesis. Reaksi kimia yang terjadi di bawah pengaruh sinar matahari juga mengarah pada pembentukan glukosa dan air. Zat-zat ini sangat penting untuk perkembangan tanaman.

Dalam bahasa kimiawan, reaksinya seperti ini: 6CO2 + 12H2O + cahaya = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Persamaan sederhana: karbon dioksida + air + cahaya = glukosa + oksigen + air.

Secara harfiah, "fotosintesis" diterjemahkan sebagai "bersama dengan cahaya." Kata ini terdiri dari dua kata sederhana "foto" dan "sintesis". Matahari adalah sumber energi yang sangat kuat. Orang menggunakannya untuk menghasilkan listrik, mengisolasi rumah, dan memanaskan air. Tumbuhan juga membutuhkan energi matahari untuk menopang kehidupannya. Glukosa, yang dihasilkan selama fotosintesis, adalah gula sederhana dan salah satu yang paling penting nutrisi. Tanaman menggunakannya untuk pertumbuhan dan perkembangan, dan kelebihannya disimpan di daun, biji, dan buah. Tidak semua jumlah glukosa tetap tidak berubah di bagian hijau tanaman dan buah-buahan. Gula sederhana cenderung berubah menjadi gula yang lebih kompleks, termasuk pati. Tanaman menggunakan cadangan ini selama periode kekurangan nutrisi. Merekalah yang menentukan nilai gizi tumbuh-tumbuhan, buah-buahan, bunga-bungaan, daun-daunan bagi hewan dan orang-orang yang memakan makanan nabati.

Bagaimana tumbuhan menyerap cahaya?

Proses fotosintesis cukup kompleks, namun dapat diuraikan secara singkat sehingga dapat dipahami bahkan oleh anak usia sekolah. Salah satu pertanyaan paling umum menyangkut mekanisme penyerapan cahaya. Bagaimana energi cahaya masuk ke tumbuhan? Proses fotosintesis terjadi di daun. Di daun semua tanaman ada sel hijau - kloroplas. Mereka mengandung zat yang disebut klorofil. Klorofil adalah pigmen yang memberi warna hijau pada daun dan bertanggung jawab untuk menyerap energi cahaya. Banyak orang belum memikirkan mengapa daun kebanyakan tumbuhan lebar dan rata. Ternyata alam tidak menyediakan hal ini secara kebetulan. Permukaan yang lebar memungkinkan Anda menyerap lebih banyak sinar matahari. Untuk alasan yang sama, panel surya dibuat lebar dan datar.

Bagian atas daun dilindungi oleh lapisan lilin (kutikula) dari kehilangan air dan pengaruh buruk cuaca, hama. Ini disebut palisade. Jika Anda melihat lebih dekat pada daunnya, Anda dapat melihat bahwa sisi atasnya lebih cerah dan halus. Warna jenuh diperoleh karena fakta bahwa ada lebih banyak kloroplas di bagian ini. Cahaya yang berlebihan dapat mengurangi kemampuan tanaman untuk menghasilkan oksigen dan glukosa. Di bawah pengaruh sinar matahari yang cerah, klorofil rusak dan ini memperlambat fotosintesis. Perlambatan juga terjadi dengan datangnya musim gugur, ketika cahaya berkurang, dan daun mulai menguning karena penghancuran kloroplas di dalamnya.

Peran air dalam proses fotosintesis dan dalam pemeliharaan kehidupan tanaman tidak dapat diremehkan. Air dibutuhkan untuk:

• menyediakan tanaman dengan mineral terlarut di dalamnya;
• mempertahankan nada;
• pendinginan;
• kemungkinan reaksi kimia dan fisika.

Pohon, semak, bunga menyerap air dari tanah dengan akarnya, dan kemudian kelembaban naik di sepanjang batang, melewati daun di sepanjang urat yang terlihat bahkan dengan mata telanjang.

Karbon dioksida masuk melalui lubang kecil di bagian bawah daun - stomata. Di bagian bawah daun, sel-selnya diatur sedemikian rupa sehingga karbon dioksida dapat menembus lebih dalam. Hal ini juga memungkinkan oksigen yang dihasilkan oleh fotosintesis dengan mudah meninggalkan daun. Seperti semua organisme hidup, tumbuhan diberkahi dengan kemampuan untuk bernapas. Pada saat yang sama, tidak seperti hewan dan manusia, mereka menyerap karbon dioksida dan melepaskan oksigen, dan bukan sebaliknya. Dimana terdapat banyak tanaman, udaranya sangat bersih dan segar. Itulah mengapa sangat penting untuk merawat pohon, semak, meletakkan alun-alun dan taman di kota-kota besar.

Fase terang dan fase gelap fotosintesis

Proses fotosintesis itu kompleks dan terdiri dari dua fase - terang dan gelap. Fase cahaya hanya mungkin dengan adanya sinar matahari. Di bawah pengaruh cahaya, molekul klorofil terionisasi, menghasilkan pembentukan energi, yang berfungsi sebagai katalis untuk reaksi kimia. Urutan peristiwa yang terjadi pada fase ini adalah sebagai berikut:

• cahaya memasuki molekul klorofil, yang diserap oleh pigmen hijau dan membuatnya dalam keadaan tereksitasi;
• terjadi pemisahan air;
• ATP disintesis, yang merupakan akumulator energi.

Fase gelap fotosintesis berlangsung tanpa partisipasi energi cahaya. Pada tahap ini, glukosa dan oksigen terbentuk. Penting untuk dipahami bahwa pembentukan glukosa dan oksigen terjadi sepanjang waktu, dan tidak hanya di malam hari. Disebut fase gelap karena kehadiran cahaya tidak lagi diperlukan untuk melanjutkannya. Katalisnya adalah ATP, yang disintesis sebelumnya.

Pentingnya fotosintesis di alam

Fotosintesis adalah salah satu proses alami yang paling signifikan. Hal ini diperlukan tidak hanya untuk pemeliharaan kehidupan tanaman, tetapi juga untuk semua kehidupan di planet ini. Fotosintesis diperlukan untuk:

• menyediakan makanan bagi hewan dan manusia;
• menghilangkan karbon dioksida dan menjenuhkan udara dengan oksigen;
• mempertahankan siklus nutrisi.

Semua tumbuhan bergantung pada laju fotosintesis. Energi matahari dapat dilihat sebagai faktor yang mendorong atau menghambat pertumbuhan. Misalnya, di daerah selatan dan daerah banyak sinar matahari dan tanaman bisa tumbuh cukup tinggi. Jika kita mempertimbangkan bagaimana proses berlangsung di ekosistem perairan, tidak ada kekurangan sinar matahari di permukaan laut dan samudera, dan pertumbuhan alga yang melimpah diamati di lapisan ini. Di lapisan air yang lebih dalam ada kekurangan energi matahari, yang mempengaruhi laju pertumbuhan flora air.

Proses fotosintesis berkontribusi pada pembentukan lapisan ozon di atmosfer. Ini sangat penting, karena membantu melindungi semua kehidupan di planet ini dari efek berbahaya sinar ultraviolet.