Ask A Biologist
Az egyik energiával be, a másikkal ki
A fényfüggő reakciók a kloroplasztiszok belsejében, a tilakoid membránban zajlanak. Mivel ezek fény “függő” reakciók, sejthetjük, hogy ezeknek a reakcióknak fényre van szükségük a működéshez. Emlékszel, hogy a fotoszintézis ezen első részének az a célja, hogy a napfény energiáját más energiaformákká alakítsa át?
A fotoszintézis fényfüggő reakciói napfényt igényelnek. Kép: Mell27.
A növények nem tudják közvetlenül felhasználni a fényenergiát a cukrok előállításához. Ehelyett a növény a fényenergiát olyan formába alakítja át, amelyet felhasználhat: kémiai energiává. A kémiai energia mindenütt jelen van körülöttünk. Az autóknak például a benzinből származó kémiai energiára van szükségük a működéshez. A növények által felhasznált kémiai energia ATP-ben és NADPH-ban tárolódik. Az ATP és a NADPH kétféle energiahordozó molekula. Ez a két molekula nemcsak a növényekben van jelen, hiszen az állatok is használják őket.
Az energia receptje
A növényeknek vízre van szükségük a NADPH előállításához. Ezt a vizet úgy bontják szét, hogy elektronokat (negatív töltésű szubatomi részecskéket) szabadítanak fel. A víz felbontásakor oxigén is keletkezik, egy olyan gáz, amelyet mindannyian belélegzünk.
Az elektronoknak a tilakoid membránban megrekedt speciális fehérjéken keresztül kell haladniuk. Az első speciális fehérjén (a fotoszisztéma II fehérjén) keresztül haladnak végig az elektrontranszportláncon. Aztán áthaladnak egy második speciális fehérjén (a fotoszisztéma I fehérjén).
Fotoszisztéma I és fotoszisztéma II
Várjunk csak… az elektronok először a második fotoszisztémán mennek keresztül, és másodszor az elsőn? Ez nagyon zavarosnak tűnik. Miért nevezik így a fotoszisztémákat?
A vízmolekulák lebomlanak, hogy elektronokat szabadítsanak fel. Ezek az elektronok aztán lefelé haladnak egy gradiensben, és közben energiát tárolnak ATP-ben. Kép: Jina Lee.
Az I. és II. fotórendszer nem egyezik meg az elektronok útvonalával a transzportláncban, mert nem ebben a sorrendben fedezték fel őket.
Az I. fotórendszert fedezték fel először. Később felfedezték a II. fotoszisztémát, amelyről kiderült, hogy az elektrontranszportláncban előrébb helyezkedik el. De már késő volt, a név megragadt. Az elektronok először a II-es, majd az I-es fotoszisztémán haladnak keresztül.
Az elektrontranszportlánc
Míg a II-es és I-es fotoszisztémában az elektronok energiát gyűjtenek a napfényből. Hogyan teszik ezt? A klorofill, amely a fotoszisztémákban jelen van, felszívja a fényenergiát. Az energiával feltöltött elektronokból aztán NADPH-t állítanak elő.
Az elektrontranszportlánc olyan molekulák sorozata, amelyek könnyen fogadnak vagy adnak le elektronokat. Ezeken lépésről lépésre haladva az elektronok meghatározott irányba mozognak a membránon keresztül. Ehhez kapcsolódik a hidrogénionok mozgása. Ez azt jelenti, hogy amikor az elektronok mozognak, a hidrogénionok is mozognak.
ATP akkor keletkezik, amikor a hidrogénionok a tilakoid belső terébe (lumenébe) pumpálódnak. A hidrogénionok pozitív töltéssel rendelkeznek. Mint a mágnesekben, az azonos töltések taszítják egymást, ezért a hidrogénionok el akarnak távolodni egymástól. A tilakoidból egy ATP-szintáz nevű membránfehérjén keresztül menekülnek ki. Azzal, hogy áthaladnak a fehérjén, erőt adnak neki, mint a víz a gáton keresztül. Amikor a hidrogénionok áthaladnak a fehérjén és végighaladnak az elektrontranszportláncon, ATP keletkezik. A növények így alakítják át a napfényt felhasználható kémiai energiává.
A Calvin-ciklus: Élet építése a levegőből
Hogyan lesz valami levegőből fa? A válasz abban rejlik, hogy mi alkotja a levegőt.
Hogyan lesz a fát körülvevő levegőből fa? Olyan összetett reakciók révén, amelyek a levegőből származó szenet más anyagok előállítására használják fel. Kép: André Karwath.
A levegőben különböző elemek, például oxigén, szén és nitrogén található. Ezek az elemek alkotják az olyan molekulákat, mint a szén-dioxid (CO2). A szén-dioxid egy szénatomból és két oxigénatomból áll. A növények a szén-dioxidból kiveszik a szénatomot, és cukrok építésére használják fel.
Ez a Calvin-ciklus segítségével történik. A Calvin-ciklus a kloroplasztiszokon belül, de a tilakoidokon kívül (ahol az ATP keletkezett) zajlik. A fényfüggő reakciókból származó ATP-t és NADPH-t a Calvin-ciklusban használják fel.
A Calvin-ciklus egyes részeit néha fényfüggetlen reakcióknak is nevezik. De ne hagyjuk, hogy az elnevezés megtévesszen bennünket… ezek a reakciók működéséhez napfényre van szükség.
A RuBisCO fehérje is segít abban a folyamatban, hogy a levegőből származó szenet cukorrá alakítsuk. A RuBisCO lassan működik, ezért a növényeknek nagy mennyiségre van szükségük belőle. Valójában a RuBisCO a világ legnagyobb mennyiségben előforduló fehérjéje!
A Calvin-ciklus termékeiből az egyszerű cukrot, a glükózt állítják elő. A glükózból épülnek fel az összetettebb cukrok, például a keményítő és a cellulóz. A keményítő tárolja az energiát a növény számára, a cellulóz pedig az az anyag, amelyből a növények készülnek.
Képek a Wikimedia Commons segítségével. A magonc képe Bff.