11. Fotosinteza

Fotosinteza sau asimilaţia dioxidului de carbon în plantele verzi este, atât calitativ cât şi cantitativ , cel mai important proces biochimic de pe pământ. Orice organism care nu este capabil să-şi producă singur substanţele organice trăieşte direct sau indirec din produsele asimilaţiei clorofiliene.

Prin fotosinteză se înţelege procesul de formare a substanţelor organice din substanţe anorganice, în plantele verzi, cu ajutorul energiei luminoase.

În acest proces, plantele verzi produc, graţie luminii solare , cantităţi mari de substanţe organice (glucide, lipide, proteine) din CO2, apă, săruri minerale, punând în libertate oxigenul necesar respiraţiei şi arderii diferiţilor compuşi. Datorită fotosintezei, energia luminoasă se transformă prin intermediul clorofilei, în energie chimică care se acumulează în substanţele organice ce se formează.

Fotosinteza are loc în cloroplaste şi în zona citoplasmei care le înconjoară. La acest proces participă clorofila a, care reprezintă pigmentul principal alături de o serie de pigmenţi secundari (clorofila b, caroteni, flavone etc) şi numeroase sisteme enzimatice. Clorofila a este singurul pigment capabil să transforme energia luminoasă în energie chimică. Ceilalţi pigmenţi cedează energia absorbită de ei clorofilei a.

Pentru producerea fotosintezei sunt necesare CO2, apa, energia luminoasă şi clorofila care să absoarbă energia radiantă. Ca produşi de reacţie apar substanţele organice (glucide, lipide, proteine) şi oxigenul.

Din punct devedere chimic, fotosinteza este un proces de oxidoreducere, în care una din componentele ce intră în reacţie (apa) este oxidată, iar cealaltă (dioxidul de carbon) este redusă. Oxidarea moleculei de apă se face printr-un proces de dehidrogenare, rezultând în final oxigen şi hidrogen. Oxigenul care se elimină în fotosinteză provine deci din apă şi nu din CO2.

Desfacerea moleculei de apă în componentele sale se produce în prezenţa luminii, iar fenomenul se numeşte fotoliză.

Fotosinteza se realizează prin însumarea următoarelor trei procese principale:

Biochimia produselor alimentare

- Fotoliza apei;- Fotofosforilarea (formarea ATP-ului şi NADPH + H+-ului);- Fixarea dioxidului de carbon şi transformarea lui prin procese de reducere

enzimatică în substanţe organice fundamentale ale celulei vii: glucide, lipide, proteine.

Fotoliza şi fosforilarea sunt procese fotochimice care au loc numai în prezenţa luminii şi a clorofilei. Ele constituie faza luminoasă a fotosintezei.

Reducerea dioxidului de carbon nu necesită prezenţa luminii, se poate petrece şi în întuneric şi de aceea se numeşte reacţia de întuneric sau faza obscură a fotosintezei.

● Fotoliza apei

Prin fotoliză se înţelege descompunerea apei în hidrogen şi oxigen cu ajutorul luminii şi a clorofilei. Fotoliza apei constituie reacţia primară a fotosintezei. Ea se produce cu un consum mare de energie (56 Kcal/mol) care provine din energia luminoasă prin intermediul clorofilei a din cloroplaste.

Pentru efectuarea fotosintezei este necesară în prealabil activarea clorofilei a. În prezenţa luminii, clorofila absoarbe protoni (energie luminoasă) şi devine extrem de activă (stare excitată) şi nestabilă, având o dutrată medie de 10-8 secunde.

Clorofila activată (clorofilă+) descompune apa în ioni de hidrogen (H+) şi ioni de hidroxil (OH-). Ionul de hidrogen este redus prin captarea unui electron din sistem. Concomitent se produce oxidarea hidroxilului care se transformă în apă şi oxigen.

Schematic reacţia de fotoliză poate fi redată astfel:

2H2O 2H+

2H

2OH-

2OH H2O + 1/2O2

+2e -2e

h+

Hidrogenul atomic este captat de ferredoxină (Fd, o proteină cu fier neheminic), chinone sau alţi factori oxidanţi şi este cedat NADP+ cu formare de NADPH + H+.

Reacţia este catalizată de enzima piridinnucleotid-reductaza-fotosintetică (PRF). Deoarece formarea NADPH + H+ în cloroplaste este cuplată cu fotoliza apei, acest proces poate fi redat prin ecuaţia:

h2NADP+ + 2 H2O cloroplaste 2(NADPH + H+) + O2

, PRF

Din ecuaţie reiese că din descompunerea a două molecule de apă se obţine o moleculă de oxigen şi două molecule de NADPH + H+ ce vor servi la reducerea moleculelor de CO2 în faza obscură a fotosintezei.

296

Fotosinteza

● Fotofosforilarea

Prin fotofosforilare sau fosforilare fotosintetică se înţelege formarea ATP-ului din ADP şi fosfat anorganic în prezenţa energiei luminoase şi poate fi redată prin următoarea ecuaţie:

n(ADP) + n(H3PO4) n(ATP)h

În felul acesta, o parte din energia luminoasă se inmagazinează sub formă de energie chimică în legăturile macroergice ale ATP-ului şi în moleculele de NADPH + H+.

La formarea ATP-ului intervin cloroplastele şi unii cofactori (ferredoxina, chinone etc).

Prin urmare, fotoliza apei este un proces fundamental care este cuplat cu formarea de NADPH + H+ şi ATP, pe calea fotofosforilării. Reacţia este enzimatică şi se desfăşoară conform ecuaţiei:

, PRFATP + NADPH + H+ + 1/2 O2cloroplaste

ADP + NADP+ + H2O + H3PO4 h

În concluzie, în faza luminoasă a fotosintezei se formează ATP, NADPH + H+ şi se eliberează oxigen. Energia acumulată în legăturile macroergice ale ATP-ului este utilizată ulterior la sinteza substanţelor organice, iar NADPH + H+ este necesar pentru reducerea CO2 (fig.11.1)

● Fixarea şi transformarea CO2

Clarificarea mecanismului prin care se face fixarea şi transformarea dioxidului de carbon în compuşi organici se datorează lucrărilor lui Calvin-Benson, care prin experimente cu izotopi radioactivi pe alge au constatat că substanţa care este primul acceptor al CO2 este ribulozo- 1,5 – difosfatul.

Fixând CO2, ribulozo- 1,5 – difosfatul suferă o serie de transformări ce conduc la formarea unor compuşi intermediari care servesc pentru

297

Biochimia produselor alimentare

sinteza glucidelor, lipidelor sau proteinelor. În acelaşi timp, printr-un proces în circuit, ribulozo- 1,5 – difosfatul se regenerează permanent.

Succesiunea este următoare:

Ribulozo- 1,5 – difosfatul, în forma sa enolică, fixează dioxidul de carbon prin acţiunea unei carboxilaze şi se formează un compus intermediar, nestabil, care prin hidroliză se transformă în două molecule de acid – 3-fosfogliceric:

CH2

C

C

HC

CH2

O

OH

O

O

P

P

OHHOOC

+ OH

H

acid 2-carboxi-3-ceto-1,5-difosforic

CH2

C

HC

HC

CH2

OH

OH

O

O

P

P

CH2

C

C

HC

CH2

OH

OH

O

O

P

P

OHizomerazã carboxilazã

ribulozo-1,5-difosfat forma enolicã

Acidul 3-fosfogliceric este primul compus care apare în fotosinteză. De la acidul 3-fosfogliceric se sintetizează biochimic principalele substanşe organice: glucidele, acizii graşi, glicerolul, aminoacizii şi o serie de acizi organici care intră în procesul respirator al plantelor.

În continuarea transformărilor, acidul - 3-fosfogliceric se reduce în aldehidă- 3-fosfoglicerică printr-un proces de importanţă vitală, specific plantelor verzi şi de care depinde întreg metabolismul substanţelor atât pentru regnul vegetal cât şi pentru cel animal.

Reducerea acidului în aldehidă necesită o cantitate mare de energie, care este acumulată în coenzimele formate în faza luminoasă a fotosintezei, în ATP şi NADPH + H+. Această reacţie este un proces de bază de care depinde formarea glucidelor şi întreaga viaţă a organismelor superioare pe pământ.

NADP+

NADPH+H+

ATP ADP+Pi

C

CH2

OH

O P

COOH

H C

CH2

OH

O P

CHO

H + H2O

acid 3-fosfogliceric aldehidã 3-fosfoglicericã

Procesul realizat cu intervenţia acestor două coenzime este catalizat de 3-fosfogliceroaldehid-dehidrogenaza.

De la aldehida-3-fosfoglicerică porneşte întregul proces de biosinteză şi interconversiune a substanţelor simple şi compuse şi tot pe seama acestui compus se regenerează în mod continuu ribulozo-1,5-fosfatul (fig. 11.2).

298

CH2

C

O P

COOH

OHH

C

CH2

OH

O P

COOH

H

+

Fotosinteza

● Regenerarea ribulozo-1,5-fosfatului

Aldehida-3- fosfoglicerică poate fi utilizaă în ciclu pe căi diferite. O primă cale constă în izomerizarea aldehidei în dihidroxiacetonfosfat sub acţiunea unei enzime triozofosfatizomeraza.

aldehidã 3-fosfoglicericã

C

CH2

OH

O P

CHO

H C

CH2

O

O P

CH2 OHizomerazã

dihidroxiacetonfosfat

Cei doi esteri fosforici se unesc sub acţiunea aldolazei şi formează fructozo-1,6-difosfatul:

fructozo-1,6-difosfat

dihidroxiacetonfosfat

C

CH2

O

O P

CH2 OH

C

CH2

OH

O P

CHO

H

aldehidã 3-fosfoglicericã

+aldolazã

CH2

C

C

HC

HC

CH2

O

OH

OH

HHO

O

O

P

P

Fructozo-1,6-difosfatul este apoi defosforilat de enzima fructozodifosfat-fosfataza spre a forma fructozo-6-fosfat.

A doua cale în care aldehida-3- fosfoglicerică este utilizată, constă în cuplarea ei cu fructozo-6-fosfatul format mai sus pentru a produce cantităţi echimoleculare de xilulozo-5-fosfat şi eritrozo-4-fosfat:

aldehidã 3-fosfoglicericã

C

CH2

OH

O P

CHO

H

fructozo-6-difosfat

CH2

C

C

HC

HC

CH2

O

OH

OH

HHO

O P

OH

+transcetolazã

TPPHC

HC

CH2

OH

OH

O P

CHO

C

HC

CH2

OH

O P

C

HO H

O

CH2 OH

+

eritrozo-4-fosfatxilulozo-5-fosfat

Reacţia este catalizată de enzima transcetolază, capabilă să transporte pe o aldoză un fragment cu doi atomi de carbon luat de la cetozfosfaţii cu aceeaşi orientare sterică în poziţia C-3 ca fructoza. Rol de coenzimă în această reacţie are TPP-ul.

Xilulozo-5-fosfatul produs în reacţia catalizată de transcetolază este transformat în ribulozo-5 –fosfat de enzima fosfocetopentozo-epimeraza ,iar ribulozo-5 –fosfatul

299

Biochimia produselor alimentare

este transformat în 1,5-difosfat care reîncepe ciclul ca acceptor al dioxidului de carbon :

xilulozo-5-fosfat

C

HC

CH2

OH

O P

C

HO H

O

CH2 OH

C

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

O

CH2 OH

C

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

O

CH2 O P

fosfoceto-pentozoepimerazã

ATP ADP

ribulozo-5-fosfat ribulozo-1,5-difosfat

Eritrozo-4-fosfatul format în aceeaşi reacţie, reacţionează cu o moleculă de dihidroxiacetonfosfat sub acţiunea unei aldolaze spre a forma sedoheptulozo 1,7-difosfat:

dehidroxiacetonfosfat

C

CH2OH

O

CH2 O P

eritrozo-4-fosfat

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

CHO+ aldolazã

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

HC

C

C

CH2 O

O

HHO

OH

P

sedoheptulozo-1,7-difosfat

Sedoheptulozo - 1,7-difosfatul este apoi defosforilat de o fosfatază trecând în sedoheptulozo-7-fosfat şi fosfat anorganic.

sedoheptulozo-1,7-difosfat

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

HC

C

C

CH2 O

O

HHO

OH

P

fosfatazã- H3PO4

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

HC

C

C

CH2 OH

O

HHO

OH

sedoheptulozo-7-fosfat

În continuare, sedoheptulozo-7-fosfatul reacţionează cu o moleculă de aldehidă -3-fosfoglicerică (aceasta fiind a treia cale în care aldehida-3-fosfoglicerică este utilizată în ciclul de reducere a carbonului), spre a forma cantităţi echimoleculare de xilulozo-5-fosfat şi ribozo-5 –fosfat sub acţiunea enzimei transcetolaza.

300

Fotosinteza

Aceste două pentoze se pot transforma în mod reversibil în ribulozo-5 –fosfat, iar acesta este fosforilat în prezenţa ATP, în ribulozo-1,5-difosfat:

C

HC

CH2

OH

O P

C

HO H

O

CH2 OH

xilulozo-5-fosfat

ribulozo-5-fosfat

C

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

O

CH2 OH

ribozo-5-fosfat

C

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

CH2 OH

H OH

fosfo-ribulozoizomerazã

ribulozo-1,5-difosfat

C

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

O

CH2 O P

+

sedoheptolozo-7-fosfat

HC

HC

CH2

OH

OH

O P

HC

C

C

CH2 OH

O

HHO

OH C

CH2

OH

O P

CHO

H

aldehidã 3-fosfoglicericã

+transcetolazã

ADP ATP

Prin formarea ribulozo-1,5–difosfatului, substanţa principală pentru ciclul de reducere a carbonului este astfel regenerată.

Fig. 11.2. Schema regenerării ribulozo 1,5,difosfatului în fotosinteză

301