Particularitati ale procesului de fotosinteza

PARTICULARITATI ALE PROCESULUI DE FOTOSINTEZA

1 FRUNZA CA ORGAN AL FOTOSINTEZEI

Desi fotosinteza are loc in toate organele verzi (tulpini ierboase, fructe tinere, etc.) principalul organ al fotosintezei este frunza.

Limbul frunzei este latit, prezinta o suprafata mare si o grosime mica, care permit captarea cu usurinta a energiei luminoase si CO₂ are loc prin stomate, iar prin intermediul fasciculelor conducatoare din nervuri, frunza este permanent aprovizionata cu apa si saruri minerale din sol. Frunza prezinta un parenchim asimilator numit mezofil, bogat in cloroplaste. Mezofilul poate avea diferite tipuri de structura:

bifaciala, diferentiat in parenchim palisadic spre fata superioara si parenchim lacunos spre fata inferioara;

equifaciala, care prezinta parenchim palisadic spre ambele fete ale frunzei, de exemplu la garoafa;

omogena, nediferentiat in parenchim palisadic si lacunos, de exemplu la porumb;

Schimbul de gaze (CO₂ si O₂) cu aerul atmosferic in timpul fotosintezei este realizat prin formatiunile epidermice numite stomate repartizate in mod diferit pe cele doua fete, in functie de specie.

Prin dispozitia lor pe tulpina, frunzele sunt adaptate pentru fixarea unei cantitati optime de lumina necesara fotosintezei. Astfel, dispozitia alterna se realizeaza dupa o linie dispusa in spirala, iar dispozitia opusa la doua noduri consecutive se realizeaza crucis. in mozaicul foliar, frunzele de varste si marimi diferite ajung toate la acelasi nivel. Se inlatura astfel posibilitatea umbririi reciproce a frunzelor. Prin miscarea de crestere numita fototropism, frunzele se orienteaza spre sursa de lumina prin curbarea petiolului, care expune limbul frunzei perpendicular pe directia razelor solare (Carmen Doina Jitareanu, 2007).

Cloroplastele reprezinta organitele fotosintezei. Ele au o arhitectura extrem de complexa care le permite sa indeplineasca rolul unor 'baterii solare miniaturizate, microuzine biosintetice' in care are loc fotosinteza. Studiul interrelatiei dintre structura si functiile cloroplastelor, din care rezulta realizarea celui mai important si complex fenomen de pe Terra a fost posibil pe seama unor aprofundate cercetari de microscopie electronica, biofizica, biochimie si fiziologie.

Cloroplastele sunt corpusculi sferici sau ovali, de culoare verde cu dimensiuni de 3-10 lungime si 0,5-4 grosime, vizibili la microscopul optic, fiind numite si grauncioare de clorofila. intr-o celula cloroplastele pot fi in numar de 20-50, pana la 100.

Cloroplastele se pot deplasa in celule in mod pasiv, odata cu curentii citoplasmatici sau in mod activ, in functie de intensitatea luminii.

Ultrastructura cloroplastelor a fost stabilita la microscopul electronic. Din punct de vedere morfo-fiziologic componentele cloroplastelor se impart in constituenti principali si secundari. Constituientii principali sunt reprezentati de sistemele membranare si stroma.

Sistemul membranar extern confera forma si dimensiunile cloroplastelor, precum si proprietatea de permeabilitate. El este alcatuit dintr-o membrana dubla de natura fosfolipo-proteica numita anvelopa, formata din doua foite cu grosimea de catre 50 A, intre care exista un spatiu de 200 de A.

Sistemul membranar intern asigura desfasurarea reactiilor complexe din timpul fotosintezei. Este alcatuit din membranele fotosintetice numite tilacoide (Menke, 1960). Tilacoidele sunt orientate in cloroplast in directie paralela cu axul longitudinal si realizeaza o suprafata de reactie foarte mare. Ele sunt organizate in unitati functionale numite grana. Forma si organizarea tilacoidelor granare a fost studiata prin diferite tehnici si a stat la baza alcatuirii unor modele ipotetice (Grunnig si Stear, 1977). Conform acestor modele, tilacoidele granale alcatuiesc discuri suprapuse unul peste altul incat realizeaza formatiuni de tip cilindric. Intre tilacoidele granale exista tilacoidele intergranare, care realizeaza o retea de comunicatie si transport intre discurile granale. In tilacoidele granale se efectueaza fixarea energiei luminoase si transformarea ei in energie chimica in faza de lumina a fotosintezei.

Stroma reprezinta masa fundamentala a cloroplastului, structurata omogen si descrisa inca din 1883 de Meyer, sub numele de matrix. in stroma se efectueaza intregul lant de reactii metabolice de reducere a carbonului si biosinteza produsilor primari ai fotosintezei. Constituentii secundari ai cloroplastelor sunt nucleoizii, ribozomii si plastoglobulii.

Nucleoizii sunt unitati structurale alcatuite din ADN cloroplastic specific, ce contine proteine nonhistomice si care se replica continuu. intr-un cloroplast, nucleoizii sunt in general in numar de unul si reprezinta sediul ereditatii extranucleare, cloroplastice. in anumite cazuri, de exemplu la diferite mutante de Beta vulgaris, nucleoizii pot fi numerosi, ajungand la 10% din masa cloroplastului.

Ribozomii plastidali sunt mai mici decat cei citoplasmatici, care au o marime de 1,35-1,4 ori mai mare. Ei pot fi izolati sau poliribozomi si contin o cantitate mai mica de ARN, 1-2% din substanta uscata, care determina sinteza unei proteine plastidale.

Plastoglobulii sunt formatiuni sferice sau ovoidale cu caracter osmiofil, numite si corpusculi osmiofili, iar din aceasta cauza sunt densi din punct de vedere electronomicroscopic. Ei sunt evidenti in cloroplaste in special la senescenta frunzei sau in cazul carentei de N, cand se formeaza in urma degradarii tilacoidelor. Plastoglobulii contin vitaminele K si E, chinona si plastochinona. La exteriorul cloroplastului exista un strat subtire de citoplasma numit peristroma, care ii confera acestuia o mobilitate activa, amiboidala.

La plantele de tipul fotosintetic C₃ cloroplastele sunt de tipul granal descris mai sus, situate in parenchimurile fotosintetizante, palisadic si lacunos din mezofilul frunzei. La plantele de tipul fotosintetic C₄ cloroplastele prezinta un dimorfism si anume in celulele mezofilului sunt de tip granal, iar in teaca fasciculara, perivasculara care inconjoara nervurile sunt de tip agravant, numite amiloplaste.

Compozitia chimica a cloroplastelor cuprinde: proteine 41-55%, lipide 18-37%, clorofila + carotenoizi 5-10%. Raportul clorofila a/b=3/l, iar clorofila/carotenoizi =4/1.

Proteinele pot fi structurale si enzimatice intrand in alcatuirea aparatului fotosintetic, dar si in echipamentul enzimatic al reactiilor fotosintetice. Lipidele participa de asemenea in structura cloroplastului si in reactiile metabolice din timpul fotosintezei. Acizii nucleici (AND si ARN) asigura ereditatea extranucleara. Diferite elemente minerale, macroelemente si microelemente intra in componentele structurale si metabolice ale cloroplastului.

2. MECANISMUL FOTOSINTEZEI IN TIPUL FOTOSINTETIC C₃

In acest tip fotosintetic, fotosinteza reprezinta un sir de reactii ce alcatuiesc un mecanism foarte complicat. O parte dintre aceste reactii se desfasoara la lumina, iar alta parte la intuneric. Din aceasta cauza, fotosinteza cuprinde doua faze: faza de lumina si faza de intuneric.

Reactiile fazei de intuneric au fost elucidate de catre cercetatorul american Calvin si colaboratorii sai (1961). Reactiile fazei de lumina nu sunt insa pe deplin elucidate; ele au fost clarificate numai partial, necesitand inca cercetari in viitor.

Faza de lumina a fotosintezei (numita si faza Hill) este faza reactiilor fotochimice. Ea se realizeaza in grana cloroplastelor si cuprinde procesele de captare a energiei luminoase si transformarea ei in energie chimica, stocarea energiei in compusi organici si fotoliza apei. Tot la lumina are loc patrunderea CO₂ in celulele fotosintetizante ale mezofilului frunzei.

Absorbtia energiei luminoase si transformarea ei in energie chimica

In faza de lumina energia solara este transformata in energie chimica, planta verde fiind numita ' cea mai buna masina de conversie cuantica'. Aceasta se realizeaza intr-un proces complicat de transfer de electroni si ioni de hidrogen la o anumita substanta chimica de natura organica, numita nicotin-amid-adenin-dinucleotid-fosfat aflat in stare oxidata (NADP⁺).

Lantul transferului de electroni cuprinde ca element esential molecula de clorofila a, singurul component fotosensibil si este declansat de actiunea cuantei de lumina hn asupra acesteia. Intregul proces al transferului de electroni si hidrogen este puternic endergonic (inmagazinator de energie). Energia se inmagazineaza prin trecerea NADP⁺ din stare oxidata in stare redusa NADPH₂ si prin sinteza acidului adenozintrifosforic (ATP), un compus macroergic din acid adenozindifosforic (ADP) si un radical de fosfat organic (P). Sinteza ATP in timpul procesului de fotosinteza este numita fosforilare fotosintetica sau fotofosforilare.

Dupa Arnon (1954-1960) ecuatia acestei faze este:

hn

2ADP + 2P + 2NADP⁺ + 2 H₂O 2ATP + 2NADPH₂ + O₂

Absorbtia energiei luminoase si transformarea ei in energie chimica prin declansarea transportului de electroni energizanti si fosforilarea fotosintetica se realizeaza cu participarea celor doua sisteme fotosintetice SFI si SFII.

Sub actiunea cuantei de lumina, pigmentii centrelor de reactie P₇₀₀ si P₆₈₀ emit electroni energizanti e^- si astfel molecula clorofilei se oxideaza primind sarcina + (clorofila a⁺) pentru un timp foarte scurt. Dupa aceasta, molecula clorofilei se reduce imediat prin primirea unui electron normal e^-. In centrul de reactie, alaturii de pigmentii P₇₀₀ si P₆₈₀ trebuie sa existe un acceptor si un donor primar de electroni. Sub actiunea luminii, cele doua sisteme fotosintetice functioneaza ca adevarate pompe de electroni, emitand continuu electroni energizanti.

Functia clorofilei in unitatea fotosintetica este un fenomen cooperativ, si anume un mare numar de molecule, de ordinul sutelor coopereaza pentru conversia energiei unui singur foton, intr-un electron energizant. Acest fenomen reprezinta o reactie de adaptare a plantelor in vederea utilizarii cat mai eficiente a energiei solare si a obtinerii unui randament fotosintetic cat mai ridicat.

Functionarea celor doua sisteme fotosintetice ce declanseaza transportul de electroni in reducerea NADP⁺ si fosforilarea fotosintetica este reprezentata de ' schema in Z', conceputa de Hill si Bendal (1960).

Conform acestei scheme, in SFI sub actiunea cuantei de lumina hn P₇₀₀ cedeaza un electron energizant e^- unui acceptor X cu structura necunoscuta, care apoi il cedeaza unei substante numita ferredoxina (Fd), iar aceasta moleculei de NADP⁺, care se reduce. Imediat, molecula de P⁺₇₀₀ revine la starea normala prin acceptarea unui electron normal e^- de la o substanta numita citocrom f (cit f). Lantul transferului de electroni apare astfel:

e^- e^- e^- e^-

cit f P^-₇₀₀ X Fd NADP⁺ NADPH₂

In SFII, sub actiunea cuantei de lumina hn asupra pigmentilor accesorii, energia absorbita de acestia este transferata la P₆₈₀, care cedeaza un electron energizant e^- unui compus neidentificat Y. De la Y electronul e^- trece de-a lungul unui lant de compusi ce cuprinde plastochinona (PQ), citocromii b si f (cit b si f), plastocianina (PC) si P₇₀₀. P₆₈₀ isi reface deficitul de electroni pe seama fotolizei apei. Electronii proveniti din fotoliza apei sunt transportati la P₆₈₀ cu ajutorul unei enzime ce contine Mn²⁺. Lantul transferului de electroni apare astfel:

e^- e^- e^- e^- e^-e^- e^- e^-

OH^- E_Mn²⁺ P₆₈₀ Y PQ cit b cit f PC P₇₀₀

Deoarece prin fotoliza apei se degaja O₂, se considera ca SFII participa la degajarea O₂ fotosintetic.

Dintre componentele lantului de transfer de electroni, citocromii sunt enzime ce contin in molecula fier. Acesta realizeaza transferul e^- prin reactia:

-e^-

Fe²⁺ Fe³⁺

+e^-

Ferredoxina contine de asemenea grupari ferosulfurice ce permit transferul electronilor.

In procesul transferului de electroni energizanti are loc si fosforilarea fotosintetica sau fotofosforilarea, prin care plantele inmagazineaza o parte din energia solara absorbita sub forma moleculei de ATP. Dupa cum rezulta din schema in Z, fotofosforilarea poate fi ciclica si acilica.

Fotofosforilarea ciclica se realizeaza cu participarea SFI, ce are ca centru de reactie P₇₀₀. Sub actiunea cuantei de lumina, acesta declanseaza un circuit inchis de electroni: e^- cedat de P₇₀₀ acceptorului X poate reveni la molecula de clorofila a 700 prin intermediul cit
f- plastocianina. Energia absorbita se acumuleaza sub forma unei singure molecule de ATP, rezultand fotofosforilarea ciclica. Fenomenul are loc fara participarea apei, fara degajarea O₂ si fara reducerea NADP⁺.

Fotofosforilarea aciclica se realizeaza cu participarea SFII si are ca centru de reactie P₆₈₀. Sub actiunea cuantei de lumina, acesta cedeaza electronii energizanti la clorofila a 700 din SFI prin intermediului lantului de transfer de electroni si primeste electronii necesari revenirii la nivelul initial din fotoliza apei. Energia absorbita se acumuleaza sub forma a doua molecule de ATP, rezultand fotofosforilarea aciclica. Fenomenul are loc simultan cu degajarea unei molecule de O₂ si participa la reducerea NADP⁺.

Din schema in Z rezulta ca transportul electronilor se bazeaza pe crearea in decursul lantului de reactii fotochimice a unei diferente de potential electric.

Fotoliza apei si degajarea O₂ reprezinta faza cea mai putin cunoscuta si cea mai ipotetica din cadrul fotosintezei.

Mult timp s-a considerat ca oxigenul degajat in fotosinteza provine din CO₂. Abia in 1930 van Niel sugereaza ideea ca O₂ fotosintetic provine din apa, care se descompune sub actiunea energiei luminoase absorbite de clorofila printr-o reactie numita fotoliza. Aceasta ipoteza a fost confirmata in anul 1941 prin utilizarea izotopului radioactiv O¹⁸. De asemenea, prin utilizarea izotopului radioactiv H³ s-a aratat ca H⁺ din apa serveste la reducerea CO₂. Detaliile chimice ale eliberarii O₂ sunt inca ipotetice.

hn

2H₂O 2H⁺ + 2e^- + 2(OH^-)

hn

2(OH^-) 2H₂O +1/2O₂

hn

sau      H₂O 2H⁺ + 2e^- + 1/2 O₂

hn

2H₂O 4H⁺ +4e^- + O₂

Separarea hidrogenului de oxigen din molecula apei si degajarea O₂ este permisa de structura lamelara a cloroplastului.

Producerea unei molecule de O₂ in fotosinteza necesita 8 fotoni, deci 4 fotoni in fiecare unitate de fotosinteza. Pe de alta parte, s-a aratat ca la generarea unei molecule de O₂ si fixarea unei molecule de CO₂ coopereaza 2400 de molecule de clorofila a. Deci in fiecare unitate de fotosinteza, 1200 de molecule de clorofila participa la captarea energiei a 4 fotoni, ceea ce reprezinta 300 de molecule de clorofila/foton.

Deci 300 de molecule de clorofila contribuie la transportul unui singur foton in fiecare unitate de fotosinteza. Dintre acestea, numai o singura molecula de clorofila a in fiecare SF este capabila de transferul fotosintetic de electroni, celelalte servesc numai la captarea energiei si cedarea ei la P₇₀₀.

Absorbtia CO₂ in cloroplaste. Tot in faza de lumina, aerul incarcat cu CO₂ patrunde prin ostiolele stomatelor care sunt deschise, trece in spatiile intercelulare si ajunge la peretii celulelor mezofilului. In mediul umed din peretele celular CO₂ este dizolvat in apa, apoi trece in acid carbonic (H₂CO₃) care disociaza astfel:

H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^- sau H₂CO₃ 2H⁺ + CO₃^2-; ionii HCO^-₃ si CO₃^2- patrund in citoplasma pana la cloroplaste.

Faza de intuneric a fotosintezei (numita si faza Blackman) se realizeaza in stroma cloroplastelor. Ea cuprinde un sir de reactii biochimice sau metabolice care au fost elucidate pe baza cercetarilor efectuate de Calvin si colab., prin utilizarea izotopului radioactiv C¹⁴. Pentru aceste cercetari, acest colectiv a primit premiul Nobel pentru Chimie in anul 1961.

Materialul de cercetare utilizat a constat din alge verzi unicelulare (Chlorella, Scenedesmus) crescute in culturi imbogatite cu CO₂ in conditii constante de temperatura, lumina si pH. Suspensiile de alge tratate cu C¹⁴O₂ au fost expuse la lumina perioade foarte scurte de timp, cuprinse intre cateva secunde si un minut. Materialul vegetal a fost fixat rapid in alcool metilic la fierbere. Dupa extragere si fractionare, produsii fotosintezei au fost analizati prin cromatografie bidimensionala pe hartie, iar izotopul radioactiv a fost identificat in compusi intermediari si finali prin autoradiografie. La plantele superioare, majoritatea experientelor au fost efectuate pe frunze de spanac.

Pentru ca lumina are un rol important in fixarea fotosintetica a carbonului, in regenerarea ATP si NADPH, terminologia reactiile carbonului in fotosinteza este mult mai potrivita. Datele referitoare la reactiile care au loc in in cadrul acestei faze, provin in special, in urma cercetarilor efectuate de Calvin si colab. Cercetarile acestora s-au axat pe stabilirea substantei acceptoare a CO₂ si al primului produs al fotosintezei. Folosind C¹⁴O₂ marcat, ei au reusit sa clarifice ca in procesul fotosintezei algei Chorella intr-un timp foarte scurt de iluminare (cateva secunde) se formeaza un numar mare de compusi. In autoradiografiile cromatogramelor a fost identificata o substanta cu 5 atomi de carbon in catena, numita ribulozo-1,5-difosfatul (RuDP).

Experimental s-a dovedit ca aceasta substanta poate fixa CO₂ in prezenta apei, in urma fixarii rezultand doua molecule de acid fosfogliceric - APG. In absenta luminii si in prezenta CO₂, cantitatea de APG creste, iar ribulozo-1,5-difosfatul scade, fapt ce demonstreaza ca aceasta din urma nu este regenerat.

In schimb, la lumina, dar in absenta CO₂, are loc o crestere a cantitatii de ribulozo-1,5-difosfat si o scadere a celei de APG, de unde rezulta ca in conditiile in care ribulozo-1,5-difosfatul nu poate fixa CO₂, nu se formeaza APG. Cercetarile recente au aratat ca exista mai multe cai alternative de transformare a carbonului in fotosinteza. Carbonul poate fi inclus in metabolismul prin cateva canale, in functie de natura acceptorului CO₂, care poate fi: fosfoenolpiruvatul, ribulozodifosfatul etc. Toate eucariotele fotosintetizatoare, de la cele mai primitive alge la cele mai evoluate angiosperme, reduc CO₂ la carbohidrati, prin acelasi mecanism de baza, descris initial la speciile C Alte cai metabolice cum sunt: calea asimilarii fotosintetice a carbonului C₄ si calea oxidarii carbonului in fotorespiratie, sunt fie auxiliare, fie independente de ciclul Calvin de baza. Calea universala de transformare a carbonului in fotosinteza, care are loc in cloroplaste, este ciclul Calvin.

Acest ciclu cuprinde trei etape: carboxilarea, reducerea si regenerarea.

Reactiile de carboxilare constau in fixarea CO₂ atmosferic pe un acceptor organic si incorporarea acestuia intr-o substanta organica.

Cercetarile au stabilit ca acceptorul CO₂ este o pentoza difosforilata, si anume
1,5-difosforibuloza - RuDP, care fixeaza o molecula de CO₂ atmosferic sub actiunea enzimei ribulozo 1,5-difosfat carboxilaza (RuDP carboxilaza). Aceasta enzima are o greutate moleculara mare, de 500.000. Ea reprezinta jumatate din proteinele continute in stroma si cuprinde 8 subunitati mari, cu greutatea moleculara 50.000, sintetizate in cloroplast si 8 subunitati mici cu greutatea moleculara 12.000, sintetizate in citoplasma.

Prin acceptarea CO₂ se formeaza un compus instabil (1,5-difosfo, 2-carboxi, 3-ceto-ribitol) care sub actiunea enzimei carboximutaza si in prezenta unei molecule de H₂O da nastere la 2 molecule de acid 3-fosfogliceric - APG. Acest compus apare numai in cateva secunde si reprezinta primul compus stabil al fotosintezei

Formarea acidului 3-fosfogliceric este o reactie capitala, deoarece efectueaza incorporarea CO₂ din aer intr-o molecula organica din corpul plantei

Reactiile de reducere constau in reducerea carbonului cu ajutorul H⁺ si energiei acumulate in faza de lumina, inmagazinarea energiei in molecule organice si sinteza produsilor primari ai fotosintezei.

In aceasta etapa, acidul 3-fosfogliceric - APG este redus la aldehida 3-fosfoglicerica - AldPG, sub actiunea enzimei 3-fosfoglicerat dehidrogenaza, cu ajutorul NADPH₂ format in faza de lumina, care reprezinta reducatorul direct al CO₂ in fotosinteza. Deoarece puterea reducatoare a NADPH₂ cu potential electric E = - 0,35 V nu este suficienta, reactia necesitand E = 0,51 V, surplusul de energie este oferit de ATP, format de asemenea in faza de lumina.

Aceasta reactie reprezinta momentul cel mai important de incarcare a moleculei organice sintetizate cu energie.

Aldehida 3-fosfoglicerica este o trioza C₃ fosforilata si reprezinta cel mai simplu compus glucidic sintetizat in fotosinteza. Ea sta la baza sintezei tuturor produsilor primari ai fotosintezei.

Astfel, prin izomerizare la 3-fosfodihidroxiacetona sub actiunea enzimei triozofosfat-izomeraza si prin condensare sub actiunea enzimei aldolaza, are loc sinteza primei hexoze difosforilate, 1,6 - difosfofructoza (esterul Harden Young). Prin defosforilarea acestuia se formeaza 6 fosfofructoza (esterul Neuberg), iar prin izomerizarea acestuia se formeaza
6-fosfoglucoza (esterul Robinson). Prin defosforilare se obtine glucoza.

Rezulta ca primii produsi ai fotosintezei sunt zaharurile reducatoare

Pentru sinteza unei molecule de glucoza sunt necesare 6 molecule de CO₂, 18 molecule de ATP si 12 molecule de NADPH₂, deci raportul de consum energetic ATP/NADPH₂ = 18/12 = 1,5.

Concomitent are loc sinteza acizilor organici: piruvic, glicolic, malic, care apar la numai 5 secunde de expunere la lumina si a aminoacizilor alanina si acid asparagic, care apar dupa 10 secunde. Dupa 30 de secunde apar zaharoza, acidul citric si aminoacizii glicina, serina si acid glutamic.

Reactiile de regenerare constau in refacerea acceptorului CO₂. Aceste reactii au la baza formarea unor compusi intermediari cu 4 atomi de C - fosfoeritroza si 7 atomi de
C - sedoheptuloza, care dau nastere 5 - fosforibulozei si utilizeaza de asemenea energia acumulata in faza de lumina.

Deoarece primul compus glucidic sintetizat in fotosinteza in timpul ciclului Calvin este o trioza, substanta cu 3 atomi de C, acest ciclu a fost denumit si tipul fotosintetic C

Tipul fotosintetic C₃ este caracteristic pentru majoritatea plantelor in special din zona temperata.