FOTOSINTEZAFotosinteza este procesul prin care plantele verzi sintetizează substanţe organice de tip glucoză din substanţe minerale (H2O +CO2), cu ajutorul energiei luminoase absorbită de pigmenţii clorofilieni şi carotenoizi. Acest proces are loc doar în celulele care posedă cloroplaste, cu excepţia algelor albastre – verzi şi bacteriilor purpurii care fac fotosinteză deşi nu posedă cloroplaste; aceste organisme Pk posedă însă molecule de clorofilă a integrate în membranele fotosintetizatoare.ECUAŢIA FOTOSINTEZEI:

6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6CO2 + 6H2O

ROLUL PIGMENŢILOR FOTO – SINTETIZATORI:

Pigmenţii fotosintetizatori sunt:

pigmenţii clorofilieni; pigmenţii carotenoizi; pigmenţii ficobilinici.

Pigmenţii absorb cuante de lumină stabilind premisa esenţială pentru desfăşurarea procesului de fotosinteză.

Rolul pigmenţilor în fotosinteză a fost pus în evidenţă când s-a demonstrat că procesul se desfăşoară numai la lumină şi în părţile verzi ale plantelor.

În procesul de adaptare la condiţiile de mediu, plantele şi-au elaborat un sistem de pigmenţi capabili să utilizeze radiaţiile care se găsesc din belşug în mediul de viaţă.

Algele verzi şi plantele superioare verzi, care trăiesc în medii bogate în radiaţii de la ambele capete ale spectrului vizibil, adică roşii, albastre, violete, şi-au dezvoltat preponderent anumiţi pigmenţi, în special cei din grupa clorofilelor.

Algele brune, bacteriile purpurii, algele roşii şi albastre, care trăiesc în medii bogate în radiaţii din mijlocul spectrului, adică galbene, verzi, albastre, şi-au dezvoltat cu preponderenţă pigmenţii carotenoizi (ficobilinele).

În fotosinteză pot fi utilizate nu doar radiaţiile absorbite de clorofilă, ci şi cele absorbite de carotenoizi.

La plantele care prin fotosinteză produc O2, numai clorofila a este în stare să transmită energia luminoasă necesară reacţiilor care duc la reducerea CO2 în fotosinteză.

Energia luminoasă absorbită de ceilalţi pigmenţi nu poate fi utilizată decât dacă, în prealabil, a fost transmisă clorofilei a. Energia luminoasă absorbită de clorofila b şi de ficobiline este în întregime transferabilă clorofilei a.

Pigmenţii galbeni au rol în apărarea celulelor împotriva efectelor fotooxidării. Oricât de variat ar fi acest echipament de pigmenţi, compoziţia lui este unitară şi constă în: 1-2 clorofile şi mai mulţi pigmenţi suplimentari.

Clorofila se găseşte în toate organismele autotrofe, inclusiv la unele bacterii.Cantitatea de clorofilă a depinde de condiţiile mediului înconjurător.

Clorofila a este o substanţă organică în compoziţia căreia intră magneziul, iar formula brută este: C55H72O5N4Mg.

1

Clorofila b se găseşte în cloroplaste împreună cu clorofila a. Ea lipseşte la algele brune, albastre, roşii şi la diatomee. Clorofila b are următoarea formulă brută C55H70O6N4Mg.

Proporţia dintre clorofila a şi clorofila b în frunzele plantelor este constantă.Formarea pigmenţilor clorofilieni:Are loc în anumite condiţii de lumină şi de temperatură şi depinde: starea citoplasmei: aprovizionarea cu glucide; anumite elemente minerale.

Plantele crescute în lipsă de lumină – plantele etiolate – au culoare galben – verzuie, iar prin expunerea lor la lumină timp de 1 minut, se sintetizează pigmenţii clorofilieni. La aceste plante, pe lângă pigmenţii galbeni, există un pigment numit protoclorofilă. La lumină ea se transformă usor în clorofilă. Se găseşte sub două forme: protoclorofila a şi protoclorofila b.

Clorofila a provine din protoclorofila a, iar clorofila b provine din protoclorofila b.

Protoclorofila are în molecula sa cu doi atomi de H2 mai puţin decât clorofila. Cantitatea de protoclorofilă scade în timpul formării pigmenţilor clorofilieni, care se reînnoiesc continuu în organele verzi. Sinteza lor are loc în toate radiaţiile spectrului vizibil începând cu raze cu lungimi de undă de 680nm şi sfârşind cu cele cu lungimi de undă de 400nm.

Fe este necesar în sinteza pigmenţilor verzi deoarece are acţiune catalitică în formarea clorofilei, iar în absenţa lui plantele devin clorotice – lipsite de clorofilă.

Proprietăţile pigmenţilor clorofilieni: substanţe microcristaline; insolubili în apă; solubili în : alcool etilic, alcool metilic, eter, acetonă,

cloroform; fluorescenţa: proprietatea soluţiei de a avea o culoare

verde prin transparenţă şi roşie reflexie; durează atâta timp cât razele soarelui acţionează asupra soluţiei;

spectrul de absorbţie al clorofilei a este diferit de cel al clorofilei b, în funcţie de concentraţia soluţiei. În soluţii diluate, clorofila a are bandă de absorbţie puternică în roşu, o bandă îngustă în verde şi una intensă în albastru. Clorofila b, în soluţie diluată are aproape aceleaşi benzi, iar în soluţie concentrată prezintă două benzi de absorbţie: una intensă în roşu – portocaliu şi galben şi alta în albastru – indigo şi violet.

Desfăşurarea fotosintezei:Fotosinteza este un proces complex reprezentat printr-un lanţ de reacţii de oxido –

reducere, care cuprinde 2 faze strâns legate între ele: faza de lumină; faza de întuneric.Faza de lumină:Cuprinde reacţii de oxido – reducere care necesită prezenţa luminii. Toate

aceste reacţii au loc pe membrana tilacoidală din structura cloroplastului şi depind de activitatea pigmenţilor fotosintetizatori.

2

La toate organismele vegetale, inclusiv la cianobacterii, în membranele tilacoidale, există două fotosisteme: I şi II, care funcţionează seriat. Fiecare dintre ele conţin cca. 300 de molecule de clorofilă ce captează energia solară. Aceasta este transmisă într-un centru de reacţie reprezentat de o moleculă de clorofilă a.

În fotosistemul I molecula de clorofilă a numită P700 absoarbe radiaţii cu lungimea de undă 700nm.

În fotosistemul II o moleculă de clorofilă a numită P680 utilizează radiaţia cu lungimea de undă 680nm.

Clorofila din fotosistemul II înlocuieşte electronii pierduţi cu cei proveniţi din fotoliza apei.

H2O → 2H+ + 1/2O2 ↑(se elimină în atmosferă)

Electronii şi protonii produşi prin fotoliza apei sunt utilizaţi pentru reducerea NADP.

2H+ + 2e- + NADP+ → NADPH + H+

ATP şi NADPH care rezultă în faza de lumină furnizează energiea ce va fi utilizată pentru faza de întuneric.

Faza de lumină:Are loc în stroma cloroplastului la lumină sau la întuneric. În cursul acestei reacţii,

CO2 este redus la glucide pe parcursul unei căi metabolice numită ciclul Calvin. În acest proces ATP furnizează energia necesară, în timp ce NADPH, ionii de H şi electronii, pentru a reduce carbonul din forma sa oxidată – CO2 – la cea redusă din molecula de glucoză (C6H12O6).

Moleculele de glucoză sunt utilizate în diverse procese vitale, care au loc la nivel celular, precum:

convesia în zaharoză, amidon, celuloză; transformarea în substanţe lipidice; transformarea în substanţe mai simple precum alcooli,

fenoli, acizi organici,etc.La bacteriile fotoautotrofe, procesul de fotosinteză se deosebeşte în parte prin

natura pigmenţilor utilizaţi (bacterioclorofilă şi bacteriorodopsina) şi a sursei de H2: H2S, alcoolul, alte combinaţii organice diferite de cele utilizate de plante.

Influenţa factorilor de mediu asupra fotosintezei

Intensitatea fotosintezei este influenţată de un complex de factori precum: lumina, concentraţia CO2, temperatura, apa, sărurile minerale.

Influenţa luminii asupra fotosintezei: Lumina reprezintă sursa de energie care determină în mare măsură desfăşurarea fotosintezei. Fotosinteza începe la o lumină slabă, dar este mascată de respiraţie şi abia la o iluminare de 100 – 500 lucşi ea depăşeşte acest stadiu şi devine aparentă. Ca factor extern, lumina, influenţează fotosinteza prin intensitate şi compoziţie. În natură intensitatea luminii se schimbă în limite foarte largi.

3

La mijlocul zilelor de vară ea ajunge la 100000 lucşi: În timpul nopţii scade la 0 sau câteva zecimi de lucşi.Grosimea stratului de aer şi de nori influenţează intensitatea luminii.

Fotosinteza creşte în intensitate până la 50000 lucşi şi rămâne constantă până la 100000 lucşi, după care scade datorită vătămării protoplasmei celulare.

La plantele verzi intensitatea fotosintezei e mare la razele roşii din spectrul luminii.

Influenţa CO2 asupra fotosintezei: În compoziţia aerului, CO2 participă numai cu 0,03 %. CO2 din aer provine din: respiraţia plantelor şi animalelor, fenomene vulcanice şi arderea combustibililor.

Concentraţia CO2 se menţine constantă datorită fotosintezei. În decursul a 24h, concentraţia CO2 în aer scade puţin peste zi din cauza fotosintezei, iar noaptea creşte uşor din cauza respiraţiei organismelor.

În decursul anului concentraţia CO2 în aer creşte puţin la începutul primăverii şi toamnei din cauza respiraţiei intense a microorganismelor din sol şi a reducerii în intensitate a fotosintezei. Vara are loc o scădere a concentraţiei CO2 din cauza intensităţii mari a fotosintezei.

Din aerul inconjurător, CO2 pătrunde în funze prin epidermă şi ostiolele stomatice şi ajunge în camerele stomatice. De aici prin spaţiile intercelulare ajunge la celulele palisadice ale frunzei şi apoi la cloroplaste unde este utilizat în fotosinteză.

Plantele submerse iau CO2 din apă în care se găseşte dizolvat sub formă de acid carbonic.

CO2 + H2O → H2CO3

Din apă moleculele de CO2 şi H2CO3 străbat epiderma, spaţiile mari intracelulare, membranele celulelor şi ajung în citoplasmă la cloroplaste,

Creşterea concentraţiei de CO2 de la 0,03 % la 10 – 15 % determină creşterea intensităţii fotosintezei cu 2 – 5 % după care scade datorită acţiunii toxice a acestuia asupra citoplasmei.

Limita inferioară a concentraţiei CO2 din aer la care are loc fotosinteza e cuprinsă între 0,08 – 0,11 %.

Influenţa temperaturii asupra fotosintezei: Temperatura influenţează în special faza de întuneric, iar optimul termic caracterizează fiecare specie de plante. Temperatura optimă a fotosintezei variază între 25- 300 C.

La plantele de origine nordică (cartoful), temperatura optimă a fotosintezei variază între 25 – 300 C, iar la cele de origine sudică (roşii, castraveţi), temperatura este de 35 – 400 C.

Limita inferioară a temperaturii la care are loc fotosinteza este situată la cele mai multe plante în jurul valorii de 00 C, iar la conifere, fotosinteza poate avea loc şi la temperaturi mai joase precum -60 C.Influenţa apei asupra fotosintezei: Apa este absolut necesară ca materie primă pentru sinteza zaharurilor, în menţinerea activităţii normale a celulelor, organelor asimilatoare, citoplasmei şi enzimelor.

Fotosinteza creşte proporţional cu conţinutul de apă până la 70 % din greutatea proaspătă; peste această cantitate de apă, intensitatea fotosintezei scade

4

progresiv din cauza greutăţii de difuziune a gazelor în urma micşorăriispaţiilor intercelulare.

La deficite mari de apă are loc o creştere a vâscozităţii citoplasmei celulare, enzimele acţionează în sens hidrolizant, intensitatea respiraţiei creşte, iar gradul de deschiderea stomatelor se micşorează.

Dacă cantitatea de apă scade foarte mult, atunci se va reduce şi intensitatea fotosintezei.

Influenţa sărurilor minerale asupra fotosintezei:

Sărurile de amoniu, sulfat, azotat, fosfat, au o influenţă pozitivă asupra fotosintezei, dar numai în concentraţii optime. La concentraţii mai mari decât optimul, are loc scăderea în intensitate a fotosintezei, cu atât mai accentuată cu cât concentraţia este mai mare. Acţiune de inhibare se datorează în special deshidratării citoplasmei.

Sărurile minerale acţionează atât asupra fotosintezei în general, şi a sintezei unor aminoacizi în special, cât şi asupra măririi suprafeţei foliare.

Influenţa poluării asupra fotosintezei: Fotosinteza este diminuată sau chiar întreruptă de efectele poluării precum:

ploile acide – modifică aciditatea naturală a solului;

concentraţiile mari de fosfaţi;

gazele industriale;

smogul – blochează stomatele şi reduce fotosinteza.

Influenţa oxigenului asupra fotosintezei:

Concentraţia de peste 21 % a O2, scade intensitatea fotosintezei, iar reducerea concentraţiei O2 la 0,5 % intensifică fotosinteza.Importanţa fotosintezei:Fotosinteza este procesul de care depinde existenţa tuturor organismelor vii de pe Terra. În urma acestui proces rezultă:

substanţe constituente ale celulelor, precum şi rezervele energetice ale plantelor;

substanţe nutritive de bază pentru toate organismele heterotrofe;

O2 eliminat în mediu.

Fotosinteza asigură compoziţia constantă a aerului în atmosferă. Prin fotosinteză se realizează şi circulaţia în natură a elementelor: C, N, P, S. Fotosinteza are importanţă practică deoarece determină direct producţia agricolă, silvică şi indirect pe cea zootehnică.

5

6