Kysy biologilta
Energiaa sisään ja ulos
Valosta riippuvaiset reaktiot tapahtuvat kloroplastien sisällä olevassa tylakoidikalvossa. Koska ne ovat valosta ”riippuvaisia” reaktioita, voit arvata, että nämä reaktiot tarvitsevat valoa toimiakseen. Muistathan, että tämän fotosynteesin ensimmäisen osan tarkoituksena on muuntaa auringonvalon energiaa muiksi energiamuodoiksi?
Fotosynteesin valoriippuvaiset reaktiot vaativat auringonvaloa. Kuva: Mell27.
Kasvit eivät voi käyttää valoenergiaa suoraan sokerien valmistukseen. Sen sijaan kasvi muuttaa valoenergian käyttökelpoiseen muotoon: kemialliseksi energiaksi. Kemiallinen energia on kaikkialla ympärillämme. Esimerkiksi autot tarvitsevat bensiinistä saatavaa kemiallista energiaa toimiakseen. Kasvien käyttämä kemiallinen energia on varastoitu ATP:hen ja NADPH:hen. ATP ja NADPH ovat kahdenlaisia energiaa kuljettavia molekyylejä. Näitä kahta molekyyliä ei ole vain kasveissa, sillä myös eläimet käyttävät niitä.
Energiaresepti
Kasvit tarvitsevat vettä tehdäkseen NADPH:ta. Tämä vesi hajotetaan, jolloin vapautuu elektroneja (negatiivisesti varattuja subatomisia hiukkasia). Kun vesi hajoaa, syntyy myös happea, kaasua, jota me kaikki hengitämme.
Elektronien on kuljettava erityisten proteiinien läpi, jotka ovat kiinni tylakoidikalvossa. Ne kulkevat ensimmäisen erikoisproteiinin (fotosysteemi II -proteiini) läpi ja elektroninsiirtoketjua pitkin. Sitten ne kulkevat toisen erikoisproteiinin (fotosysteemi I:n proteiini) läpi.
Fotosysteemi I ja fotosysteemi II
Vaikka… ensin elektronit kulkevat toisen fotosysteemin läpi ja sitten ne kulkevat ensimmäisen? Tuo vaikuttaa todella sekavalta. Miksi fotosysteemit nimetään näin?
Vesimolekyylit hajotetaan elektronien vapauttamiseksi. Nämä elektronit liikkuvat sitten gradienttia pitkin alaspäin ja varastoivat samalla energiaa ATP:ksi. Kuva: Jina Lee.
Fotosysteemit I ja II eivät vastaa reittiä, jonka elektronit kulkevat kuljetusketjussa, koska niitä ei löydetty tässä järjestyksessä.
Fotosysteemi I löydettiin ensin. Myöhemmin löydettiin fotosysteemi II, jonka todettiin olevan varhaisemmassa vaiheessa elektronien kuljetusketjussa. Mutta se oli liian myöhäistä, nimi jäi kiinni. Elektronit kulkevat ensin fotosysteemi II:n ja sitten fotosysteemi I:n läpi.
Elektroninkuljetusketju
Vaikka fotosysteemi II:ssa ja I:ssä elektronit keräävät energiaa auringonvalosta. Miten ne tekevät sen? Fotosysteemeissä oleva klorofylli imee valoenergiaa. Energiaa saaneista elektroneista valmistetaan sitten NADPH:ta.
Elektroninkuljetusketju on sarja molekyylejä, jotka ottavat vastaan tai luovuttavat elektroneja helposti. Liikkumalla askel askeleelta näiden läpi elektronit siirtyvät tiettyyn suuntaan kalvon läpi. Vetyionien liikkuminen on kytketty tähän. Tämä tarkoittaa, että kun elektronit liikkuvat, myös vetyionit liikkuvat.
ATP syntyy, kun vetyioneja pumpataan tylakoidin sisätilaan (lumeniin). Vetyioneilla on positiivinen varaus. Kuten magneeteissa, samat varaukset hylkivät toisiaan, joten vetyionit haluavat pois toisistaan. Ne pakenevat tylakoidista ATP-syntaasiksi kutsutun kalvoproteiinin kautta. Liikkumalla proteiinin läpi ne antavat sille voimaa, kuten vesi liikkuu padon läpi. Kun vetyionit liikkuvat proteiinin läpi ja elektroninsiirtoketjua pitkin, syntyy ATP:tä. Näin kasvit muuttavat auringonvalon käyttökelpoiseksi kemialliseksi energiaksi.
Calvinin sykli: Elämän rakentaminen ohuesta ilmasta
Miten jostain ilmasta tulee puun puu? Vastaus löytyy siitä, mistä ilma koostuu.
Miten puuta ympäröivä ilma muuttuu puun materiaaliksi? Monimutkaisten reaktioiden avulla, joissa ilman hiiltä käytetään muiden materiaalien valmistukseen. Kuva: André Karwath.
Ilmassa on erilaisia alkuaineita, kuten happea, hiiltä ja typpeä. Nämä alkuaineet muodostavat hiilidioksidin (CO2) kaltaisia molekyylejä. Hiilidioksidi koostuu yhdestä hiiliatomista ja kahdesta happiatomista. Kasvit ottavat hiilidioksidista hiiliatomin ja käyttävät sen sokerien rakentamiseen.
Tämä tapahtuu Calvinin kierron avulla. Calvinin sykli tapahtuu kloroplastien sisällä, mutta tylakoideja (joissa ATP on syntynyt) lukuun ottamatta. Valosta riippuvaisten reaktioiden ATP ja NADPH käytetään Calvinin syklissä.
Calvinin syklin osia kutsutaan joskus valosta riippumattomiksi reaktioiksi. Mutta älä anna nimen hämätä… nämä reaktiot vaativat toimiakseen auringonvaloa.
Proteiini RuBisCO auttaa myös prosessissa, jossa ilmasta tuleva hiili muutetaan sokereiksi. RuBisCO toimii hitaasti, joten kasvit tarvitsevat sitä paljon. Itse asiassa RuBisCO on maailman runsain proteiini!
Calvinin syklin tuotteista valmistetaan yksinkertaista sokeria glukoosia. Glukoosista rakennetaan monimutkaisempia sokereita, kuten tärkkelystä ja selluloosaa. Tärkkelys varastoi energiaa kasville ja selluloosa on ainetta, josta kasvit on tehty.
Kuvat Wikimedia Commonsin kautta. Bff:n siementaimesta ottama kuva.