Фотосинтеза

Живот на Земљи зависи од Сунчеве енергије. Сунце нам дарује неопходну топлоту, а фотосинтетски организми користе његову енергију како би створили органска, тј. карбонска једињења. Термин „фотосинтеза” буквално значи „стварање помоћу светлости”. У процесу фотосинтезе копнене биљке користе СО₂ из ваздуха, Н₂О и минералне материје из земље и, помоћу сунчеве енергије, стварају сложена органска једињења. Водени организми, наравно, користе СО₂, Н₂О и минералне материје из воде.

Општа формула фотосинтезе: [latex]6CO_2+6H_2O+E(☼)\longrightarrow C_6H_{12}O_6+6O_2[/latex]

У току еволуције живота, појава фотосинтезе није само омогућила стварање органске материје коју су и други организми могли да користе за своје потребе, већ је значила и продукцију молекулског кисеоника. Појава веће количине слободног молекулског кисеоника је омогућила аеробну разградњу глукозе у процесима ћелијског дисања, као и стварање озонског омотача, који је заштитио живот од штетног деловања ултраљубичастих зрака сунца. Такође, значај фотосинтезе се огледа и у томе што су сва горива која, изузев нуклеарне енергије, човек данас највише користи, директно или индиректно производ фотосинтезе (дрво, фосилна горива – угаљ, нафта и земни гас).

Сваки пигмент апсорбује само одређене таласне дужине и скуп свих таласних дужина које пигмент апсорбује чине његов апсорпциони спектар. Сунчев спектар може да се подели у три области: ултраљубичасти (са таласним дужинама 100–400 nm), видљиви (400–770 nm), инфрацрвени део спектра (770–10000 nm).

Фотосинтетички пигменти апсорбују таласне дужине само из видљивог дела спектра. Видљиви део спектра је тако назван отуда што нам ова зрачења омогућавају способност виђења, јер је људско око у стању да их региструје. Састоји се из шест компонената које су различитих боја: љубичасте, плаве, зелене, жуте, наранџасте и црвене. Почев од љубичастог, па све до црвеног дела спектра – таласне дужине су све веће.

Хлорофили имају две апсорпционе зоне, једну у плавом (430–490 nm), а другу у црвеном (630–760 nm) делу спектра. Пошто зелену светлост хлорофили пропуштају, она долази до нашег ока и зато делове биљке који садрже хлорофиле видимо као зелене.

Молекул хлорофила је састављен из порфиринског прстена у чијем центру се налази атом магнезијума. Зато је магнезијум неопходан за синтезу хлорофила. За прстен су везани алкохоли метанол и фитол, естарским везама.

Улогу помоћних пигмената у фотосинтези имају каротеноиди и фикобилини. Они повећавају ефикасност фотосинтезе тако што упијају оне таласне дужине које хлорофили не користе и ту енергију преносе на хлорофиле. Каротеноиди обухватају две групе – каротене и ксантофиле. Њихове апсорпционе зоне су у љубичастом и плавом делу спектра и ово су таласне дужине које имају велику енергију.

У фикобилине спадају фикоцијанини цијанобактерија, плавозелене боје и фикоеритрини родофита, црвених алги, који су, наравно, црвене боје. Фикобилини упијају таласне дужине из црвеног, жутог и наранџастог дела спектра.

У процесу фотосинтезе се енергија електромагнетног зрачења сунца претвара у хемијску енергију АТР-а. Ова енергија се затим користи за добијање органских једињења, тј. „хране”. Због тога се процес фотосинтезе одвија у две фазе. То су: светла фаза – у којој се врши конверзија светлости у АТП и за коју је светлост неопходна и тамна фаза – у којој се производи светле фазе користе за добијање органских једињења. Најактивније биљно ткиво у фотосинтези је мезофил листа. Ћелије овог ткива садрже хлоропласте, а хлоропласти фотосинтетичке пигменте.

Светлост је и таласне и корпускуларне (честичне) природе. Особине таласа које одликују светлост су таласна дужина и фреквенција, од чега зависи енергија светлости.

Фреквенција је број понављања у јединици времена, а када су таласи у питању – то је број таласних дужина које талас пређе у јединици времена, односно у једној секунди. Фреквенција и таласна дужина су обрнуто пропорционалне, тј. већа фреквенција значи мању таласну дужину (слика: Таласне дужине плаве и црвене светлости).

С друге стране, светлост показује и карактеристике честица и могла би да се замисли као киша елементарних честица светлости, које се зову фотони и различите су фреквенције.

Молекули хлорофила у својој спољашњој електронској љусци садрже електроне који нису везани за језгра атома јаким везама. Када неки од тих електрона погоди фотон светлости одговарајуће таласне дужине, он ће апсорбовати енергију фотона и постати ексцитован (побуђен). Такав електрон сада, са повишеном енергијом, може да се удаљи од језгара која га држе привлачном силом и из свог основног стања прелази на вишу орбиту.

У молекулима хлорофила постоји орбита ексцитованог стања за електрон који је апсорбовао фотон плаве светлости, као и орбита побуђеног стања за електрон који је апсорбовао фотон црвене светлости. Пошто фотони мање таласне дужине имају више енергије, виша орбита одговара апсорпцији енергије фотона плаве светлости, а нижа орбита је она на коју електрон прелази после апсорпције енергије фотона црвене светлости.

Из ове позиције, побуђени електрон може да „побегне” од свог молекула и да пређе на молекул који је у непосредној близини. Прималац електрона је означен као акцептор. Прелазак електрона са хлорофила на акцептор је почетак фотосинтезе. Хлорофил је, изгубивши електрон, постао позитивно наелектрисан и оксидовао се, а акцептор је, примивши електрон, постао негативан и редуковао се. Дакле, ово је оксидо-редукцијска реакција – прва у низу таквих реакција и на овај начин је енергија фотона прешла у редокс-енергију.

Постоје два комплекса који су задужени за апсорпцију светлости и пренос електрона. Називају се фотосистем I и фотосистем II. Сваки од фотосистема се састоји од реакционог центра и антенских молекула. Реакциони центар чине два молекула хлорофила а, а антенски молекули су хлорофил а, хлорофил б и каротеноиди у комплексу са протеинима. Улога пигмената међу антенским молекулима је да апсорбују светлосну енергију и да је преносе до реакционог центра.

Пошто реакциони центар фотосистема I највише апсорбује таласну дужину од 700 nm, он се означава као P700 (P – пигмент), а како реакциони центар фотосистема II највише апсорбује таласну дужину од 680 nm, тај се реакциони центар именује као Р680. Услед деловања светлосне енергије, електрони реакционих центара и фотосистема I и фотосистема II прелазе у ексцитовано (побуђено) стање и прелазе на акцептор који је у близини реакционих центара. Фотосистем II надоканђује свој изгубљени електрон тако што га узима из молекула воде који је у шупљини тилакоида. Вода се оксидује и распада на два протона и половину молекула кисеоника. Да би се један молекул воде распао, неопходно је да од њега буду преузета два електрона. Ово је тренутак у коме у фотосинтези долази до настанка кисеоника. За настанак једног молекула кисеоника неопходна је разградња два молекула воде, а за наведено је неопходно преузимање укупно четири електрона. Уједно, распадање молекула воде повећава концентрацију протона у унутрашњости тилакоида.

[latex]2H_2O\longrightarrow4H^++O_2+4e^-[/latex]

Електроне које је изгубио фотосистем I, његов реакциони центар надокнађује тако што се до њега транспортују електрони који потичу из фотосистема II. Електрони фотосистема I редукују коензим NADP⁺ у NADPH. Почев од оксидације воде, што доводи до настанка кисеоника, па до редукције коензима, електрони прелазе пут који се назива „Z” шема.

На путу електронa од фотосистема II до фотосистема I, два електрона са фотосистема II прелазе преко ланца (комплекса) малих молекула који су смештени у тилакоидној мембрани (пластокинон, цитохром b6f, пластоцијанин).

Они ланчано предају (оксидују се) и примају електроне (редукују се). Сваки члан преузима електроне од претходног и на тај начин га оксидује. Сваки следећи члан фотосинтетичког ланца има већи афинитет према електрону, дакле већи оксидујући потенцијал, а сваки претходни има већи редукујући потенцијал и на тај начин је омогућено кретање електрона у пожељном смеру. Чланови фотосинтетичког ланца користе део енергије електрона за пребацивање четири протона из строме у унутрашњост тилакоида, што смањује концентрацију протона у строми, а повећава у унутрашњости тилакоида.

Транспорт електрона од фотосистема II до фотосистема I омогућава да фотосистем I надокнади изгубљене електроне. Електрони фотосистема I се преко преносиоца фередоксина транспортују до коензима NADP⁺ у строми и редукују га у NADPH. И овом приликом се смањује концентрација протона у строми, пошто NADP⁺ везује протон за себе. NADP је крајњи акцептор електрона.

Дакле, разлика у количини протона са једне и друге стране мембране тилакоида прави велики хемијски градијент. Електрични градијент не постоји зато што тилакоидна мембрана пропушта друге јоне (Cl^- и Mg²⁺). Распадање молекула воде, након што фотосистем II преузме електроне, повећава концентрацију протона у унутрашњости тилакоида (2 протона), а додатно пребацивање протона (4 протона) из строме, које врше чланови транспортног ланца, смањује концентрацију протона у строми и повећава у унутрашњости тилакоида. Такође, прелазак NADP⁺ у NADPH смањује концентрацију протона у строми (2 протона). Да би се количина протона изједначила са две стране тилакоидне мембране, неопходно је да протони пређу из унутрашњости тилакоида у строму хлоропласта. То могу једино проласком кроз ензим АТП-синтетазу, пошто је мембрана тилакоида непропустљива за протоне. АТП-синтетаза (скраћено: АТП-синтаза) користи енергију проласка протона да AДП-у дода још једну фосфатну групу, односно да га фосфорилише у АТП. Ензим функционише као молекуларни мотор чији се један део окреће услед проласка протона. Пошто енергија за наведену фосфорилацију потиче од светлости сунца, стварање АТП-а на овај начин се назива фотофосфорилација. За настанак три молекула АТП-а потребно је да 12 протона прође кроз АТП-синтетазу (за један молекул АТП-а треба четири протона). Када бисмо сумарно представили светлу фазу, било би:

• за настанак једног О₂, фотосистем II мора да преузме четири електрона и тако разложи два молекула Н₂О, а за наведено су потребна четири фотона, за сваки електрон по један;
• приликом разлагања два молекула Н₂О настају четири протона у унутрашњости тилакоида;
• радом фотосинтетичког електрон-транспортног ланца пребацује се осам протона у лумен тилакоида;
• за то време четири фотона покрећу четири електрона из фотосистема I, који се преносе и доводе до редукције и настанка два молекула NADPH;
• за пун окрет дела ензима АТП-синтетазе потребно је 12 протона, при чему настају три молекула АТП-а. Све у свему, формула светле фазе је:

[latex]2H_2O+2NADP+3ADP+3P\longrightarrow O_2+\overbrace{2NADPH}^{(осам  фотона)}+3ATP[/latex]

Међутим, ово је механизам нецикличне фотофосфорилације и из самог назива можемо закључити да мора постојати и циклична фотофосфорилација.

Код цикличне фотофосфорилације, која се одиграва у одређеним условима, NADP није крајњи акцептор електрона. Електрони фотосистема I се враћају реакционом центру из кога су потекли, али то мора да се обави преко чланова фотосинтетичког електрон-транспортног ланца, што доводи до преноса протона из строме у унутрашњост тилакоида. Пролазак и ових протона из унутрашњости тилакоида у строму врши се кроз АТП-синтетазу и доводи до настанка АТП-а и то је механизам цикличне фотофосфорилације. Међутим, овим механизмом не настаје редуковани NADP, а нема ни оксидације воде и настанка кисеоника, пошто у цикличној фотофосфорилацији не учествује фотосистем II.

Сумарно, трансформација једног облика енергије у други у току светле фазе би могла да се опише на следећи начин: светла фаза фотосинтезе омогућава да се светлосна енергија, апсорбована од стране пигмената, трансформише у редокс-потенцијал чланова фотосинтетичког транспортног ланца, који затим омогућава стварање градијента протона, а чије кретање кроз АТП-синтазу омогућава стварање хемијске енергије АТП-а.

Дакле, производи светле фазе фотосинтезе су АТР и редуковани NADP, који се користе у тамној фази фотосинтезе, као и O₂, „који нам живот даје”.

Производи светле фазе неопходни су за тамну фазу фотосинтезе, која се обавља у строми хлоропласта. Помоћу њих се неоргански CO₂ редукује и образују се шећери глукоза, фруктоза, а затим и сахароза. Од молекула глукозе се ствара резервни полисахарид – скроб. Друго име за тамну фазу је Калвинов циклус, по научнику који је открио овај процес (Мелвин Калвин, добитник Нобелове награде 1961. године из области хемије за откриће циклуса који је по њему добио име).

Калвинов циклус се одвија у три корака, односно три реакције, а то су карбоксилација, редукција и регенерација. Реакције су приказане на шеми (слика). Обратите пажњу на редослед реакција. У којој реакцији долази до асимилације (усвајања) СО₂? У којим реакцијама се користе производи светле фазе? Које једињење је производ циклуса, излази из њега и користи се за синтезу хексоза? Ради бољег разумевања неопходно је да циклус анализирамо детаљније.

Прва реакција Калвиновог циклуса је карбоксилација. У овој реакцији три молекула рибулозе(1,5)-бисфосфата реагују са три молекула СО₂ и ово је реакција у којој долази до асимилације неорганског угљеника. Рибулоза-1,5-бисфосфат је полазно једињење циклуса. Реакцију катализује ензим рибулоза-1,5-бисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа (скраћено: рубиско, уобичајена ознака – RuBisCO). Овај ензим има висок афинитет за везивање са СО₂, који представља супстрат овог ензима у Калвиновом циклусу.

За карбоксилацију су потребна и три молекула воде. Једињење које је настало на овај начин има шест угљеникових атома и нестабилно је. Оно се распада на два молекула 3-фосфоглицеринске киселине, који су први стабилан производ циклуса (поред фотосинтетског пута који тренутно описујемо, постоје и други путеви; овај пут фотосинтезе се назива С₃-фотосинтеза, по три С-атома првог стабилног производа). Пошто по један молекул рибулозе-1,5-бисфосфата реагује са по једним молекулом СО₂, а у реакцији учествује по три од сваког, настају три нестабилна интермедијера (са по шест С-атома). Како се сваки од интермедијера даље распада на по два молекула 3-фосфоглицеринске киселине (са по три С-атома), по завршетку овог процеса настаје укупно шест молекула 3-фосфоглицеринске киселине. Друга реакција је редукција и у њој се користе и тиме троше производи светле фазе фотосинтезе: АТП и NADPH. Пошто их је за сваки молекул 3-фосфоглицеринске киселине потребно по један, укупно се троши шест АТП-а и шест NADPH. АТП је давалац фосфатне групе и енергије, а NADPH, као донор електрона, врши редукцију супстрата и прелази у свој оксидовани NADР⁺ облик. Реакцијом редукције настаје шест молекула шећера триоза-фосфата (глицералдехид-3-фосфата). Већи део ових молекула, тј. пет молекула триоза-фосфата, користи се у реакцији регенерације полазног једињења, односно три молекула рибулозе(1,5)-бисфосфата (враћа се у почетну тачку па је зато циклус). За реакцију регенерације се користе три АТП-а из светле фазе. Само један од шест молекула триоза-фосфата излази из циклуса, транспортује се у цитоплазму и он се користи за синтезу хексоза. Молекул триоза-фосфата представља примарни продукт фотосинтезе. Потребна су два молекула триоза-фосфата за настанак прве хексозе, а то је фруктозо-1,6-бисфосфат. Од ње у цитоплазми настају прво фруктозо-6-фосфат, па глукозо-6-фосфат, њиховим повезивањем сахароза, а повезивањем великог броја молекула глукозе, скроб. То су секундарни продукти фотосинтезе.

Да бисмо добили један молекул триоза-фосфата, који се користи за добијање молекула хексозе, потребно је да три молекула СО₂ буду асимилована, а потребна су и три молекула Н₂О. Пошто су за један молекул хексозе потребна два молекула триоза-фосфата, то је укупно 2 x 3 = 6 СО₂ и 2 x 3 = 6 Н₂О. Такође, у циклусу где се обезбеђује један молекул триоза-фосфата који се користи за синтезу хексозе, у реакцији редукције је потребно шест молекула АТП-а, а у реакцији регенерације још три, дакле укупно девет молекула АТП-а. За реакцију редукције је потребно и шест молекула NADPH. И ове вредности се удвостручују, пошто су за један молекул хексозе потребна два молекула триоза-фосфата. Значи, број молекула се множи са два, односно 2 x 9 = 18 АТП-а и 2 x 6= 12 NADPH и толико је производа светле фазе неопходно за синтезу једног молекула хексозе. Да бисмо у светлој фази добили један молекул кисеоника, неопходна је апсорпција осам фотона, при чему, уз кисеоник, настају и три АТП-а и два NADPH. То значи да приликом стварања шест молекула О₂ настане и 6 x 3 = 18 АТП-а и 6 x 2 = 12 NADPH. Тачно толико је потребно ових молекула за настанак једног молекула хексозе. Наведени подаци одговарају једначини фотосинтезе.

[latex]6CO_2+6H_2O+E(☼)\longrightarrow C_6H_{12}O_6+6O_2[/latex]

Остаје нам да видимо колико је фотона потребно за усвајање једног молекула СО₂. Као што је већ речено, за један молекул хексозе је потребно молекула 18 АТП-а и 12 NADPH. Пошто хексоза има шест С-атома, за асимиловање једног молекула СО₂ потребно је три АТП-а (18 подељено са 6) и два молекула NADPH (12 подељено са 6). Погледајте биланс светле фазе. Осам фотона омогућава стварање једног молекула кисеоника и три АТП-а и два NADPH, тачно колико је потребно за усвајање једног молекула СО₂ у тамној фази.

Када је фотосинтеза интензивна, по лепом и сунчаном дану, долази до нагомилавања триоза-фосфата у хлоропласту и од њега прво настаје глукоза, а њеним полимеризовањем скроб, који се нагомилава у хлоропласту. Овај резервни, тзв. асимилацијски скроб, се у хлоропластима разграђује помоћу ензима скробна фосфорилаза директно до глукозе, а у амилопластима органа за магационирање се разграђује најпре до малтозе, па онда до глукозе.

Фотосинтеза се другачије назива и хлорофилна асимилација, пошто реч „асимилација”, између осталог, значи и „усвајање”, а у овом процесу долази до „усвајања” CO₂ у састав органских једињења, које је посредовано хлорофилом. Зато се органске материје настале у листу називају и асимилати, а и фотосинтати. Асимилати се из листа крећу кроз флоем и на тај начин доспевају до свих ћелија којима су потребни. Транспорт угљених хидрата се обавља у облику сахарозе. Сви асимилати, укључујући и сахарозу, убацују се у флоем активним транспортом, где се тако, у нивоу листа,  oстварује њихова висока концентрација. Пошто се органске материје троше у осталим деловима биљке, у њима је њихова концентрација увек мања. На тај начин је омогућено кретање кроз флоем пасивним транспортом, са места више на место ниже концентрације, тј. низ градијент концентрације.