Fotoszintézis

Fotoszintézis

A növények képesek szervetlen anyagokból (szén-dioxidból és vízből) szerves cukrot előállítani.

Biológia

Címkék

fotoszintézis, fényszakasz, sötétszakasz, kloroplasztisz, felépítő anyagcsere, autotróf, levél, fény, napfény, oxigén, szerves anyag, szén-dioxid, glükóz, napenergia, víz, szőlőcukor, oxigéntermelés, szén-dioxid megkötés, belső membrán, gránum, tilakoid, alapállomány, II. fotorendszer, I. fotorendszer, fotoszintetikus pigmentek, ATP, ATPáz, elektronszállító rendszer, glicerinsav-3-foszfát, glicerinaldehid-3-foszfát, pentóz-difoszfát, energiaátalakítás, ciklus, foton, légköri gázok, szénhidrát, Nap, anyagcsere, növény, biokémia, biológia, _javasolt

Kapcsolódó extrák

Jelenetek

A fotoszintézis lényege

  • CO₂ - Szén-dioxid. Szervetlen molekula, amelyekből a növény szerves molekulát: cukrot állít elő. A növények autotróf élőlények: képesek szervetlen anyagból szerves anyagot előállítani. A heterotróf élőlények (állatok, gombák) erre nem képesek.
  • O₂ - A fotoszintézis során melléktermékként képződik. A heterotróf élőlények oxigénigényét Földünkön a fotoszintézis fedezi.
  • fény - Részecskéi a fotonok. A fotonok energiájának felhasználásával állítja elő a növény szervetlen CO₂-ból a szerves cukrot.
  • C₆H₁₂O₆ - Szőlőcukor (glükóz). A növények CO₂-ból fényenergia felhasználásával állítják elő.
  • H₂O - A víz a talajból kerül a növénybe. A fotoszintézis során oxigénre, protonokra (H⁺) és elektronokra (e⁻) bomlik.

Levél szerkezete

  • szállítónyaláb: farész - Vizet és ásványi sókat szállít. A vizet a növény a fotoszintézis során oxigénre, protonokra (H⁺) és elektronokra (e⁻) bontja.
  • szállítónyaláb: háncsrész - Vízben oldott szerves anyagokat szállít. A fotoszintézis során termelt cukrok a háncsrészben szállítódnak a növény többi részébe.
  • gázcserenyílás - A táplálékkészítő alapszövetben zajló fotoszintézishez szükséges CO₂ ezen keresztül lép be a levélbe, és a keletkező O₂ itt távozik. Rajta keresztül párolgás is zajlik, ezért a növény a kiszáradás elkerülése érdekében képes bezárni.
  • táplálékkészítő alapszövet - Sejtjei sok zöld színtestet tartalmaznak: ezekben zajlik a fotoszintézis. Felső része oszlopos, alsó része szivacsos szerkezetű.
  • bőrszövet - Egy sejtrétegből áll. A sejtjei zöld színtestet nem tartalmaznak, kivéve a gázcserenyílások zárósejtjeit. A növény védelmét és – a gázcserenyílásokon keresztül – a környezettel való kapcsolattartást szolgálja.

Fotoszintézis

  • szállítónyaláb: farész - Vizet és ásványi sókat szállít. A vizet a növény a fotoszintézis során oxigénre, protonokra (H⁺) és elektronokra (e⁻) bontja.
  • szállítónyaláb: háncsrész - Vízben oldott szerves anyagokat szállít. A fotoszintézis során termelt cukrok a háncsrészben szállítódnak a növény többi részébe.
  • gázcserenyílás - A táplálékkészítő alapszövetben zajló fotoszintézishez szükséges CO₂ ezen keresztül lép be a levélbe, és a keletkező O₂ itt távozik. Rajta keresztül párolgás is zajlik, ezért a növény a kiszáradás elkerülése érdekében képes bezárni.
  • táplálékkészítő alapszöveti sejt - Sok zöld színtestet tartalmaz: ezekben zajlik a fotoszintézis.
  • CO₂ - Szén-dioxid. Szervetlen molekula, amelyekből a növény szerves molekulát: cukrot állít elő. A növények autotróf élőlények: képesek szervetlen anyagból szerves anyagot előállítani. A heterotróf élőlények (állatok, gombák) erre nem képesek.
  • O₂ - A fotoszintézis során melléktermékként képződik. A heterotróf élőlények oxigénigényét Földünkön a fotoszintézis fedezi.
  • fény - Részecskéi a fotonok. A fotonok energiájának felhasználásával állítja elő a növény szervetlen CO₂-ból a szerves cukrot.
  • C₆H₁₂O₆ - Szőlőcukor (glükóz). A növények CO₂-ból fényenergia felhasználásával állítják elő.
  • H₂O - A víz a talajból kerül a növénybe. A fotoszintézis során oxigénre, protonokra (H⁺) és elektronokra (e⁻) bomlik.

Sejt

  • Golgi-készülék - A fehérjék érésében játszik fontos szerepet.
  • endoplazmatikus hálózat - A sejten belül található bonyolult membránrendszer. Szerepe van a fehérjeszintézisben, a fehérjék érésében, a lipidszintézisben és bizonyos anyagok lebontásában.
  • vezikulum - A sejten belül különböző anyagok membránhólyagokba – vezikulumokba – csomagolva szállítódnak. A vezikulumok egyik típusa a lizoszóma, amelyben anyagok emésztése, fölösleges anyagok lebontása folyik.
  • sejtplazma
  • vakuólum - Sejtnedvvel telt üreg. Fontos a sejt belső nyomásának (turgorának) szabályozásában, bizonyos anyagok kiválasztásában és raktározásában.
  • zöld színtest - A fotoszintézis zajlik benne: a növény napfény energiájának felhasználásával szén-dioxidból cukrot állít elő.
  • sejtfal - Cellulózból épül fel. A sejt védelmét, alakjának megtartását és a növényi szövetek szilárdítását szolgálja.
  • sejtmag - A DNS-ből és fehérjékből álló kromatinállományt tartalmazza. Az állati, a növényi és a gombasejtek eukarióták, azaz rendelkeznek sejtmaggal. A prokarióta sejteknek (baktériumoknak) nincs sejtmagjuk, DNS-ük a sejtplazmában található.
  • sejthártya - A sejtet borító lipidmembrán.
  • sejtváz - Felelős a sejtalkotók elhelyezkedéséért, mozgatásáért, illetve – állati sejtekben, amelyeknek nincs sejtfaluk – a sejtalak megtartásáért.
  • mitokondrium - A sejt „erőművei”: szerves molekulák lebontásával ATP-molekulákat termelnek. Az ATP a sejt központi energiaszolgáltató vegyülete.

Fényszakasz

  • zöld színtest - Benne fotoszintézis zajlik: fényenergia felhasználásával CO₂-ból szőlőcukor képződik. Kettős membránja van: a belső membrán tartalmazza a fotoszintézis enzimeit.
  • belső membrán - A belső membrán betűrődésével létrejövő korong alakú membránképződmények a tilakoidok: ezek a fotoszintézis fényszakaszának kulcsenzimeit tartalmazzák. A tilakoidok egymásra pakolódva képezik az oszlopos gránumot.
  • gránum
  • tilakoid
  • alapállomány
  • tilakoid membrán - A fotoszintézis fényszakaszának kulcsenzimeit tartalmazza.
  • tilakoid belső tere
  • II. fotorendszer - Fehérjékből és fényelnyelő pigmentekből áll. 680 nanométer hullámhosszúságú fényt nyel el. Pigmentjei: klorofill-a, klorofill-b és xantofill. Reakciócentrumának központi pigmentje klorofill-a. Amikor ez a klorofill-a fotont nyel el, gerjesztett állapotba kerül, és elektront ad le, ami az elektronszállító-rendszerre kerül.
  • I. fotorendszer - Fehérjékből és fényelnyelő pigmentekből áll. 700 nanométer hullámhosszúságú fényt nyel el. Pigmentjei: klorofill-a, klorofill-b és karotin. Reakciócentrumának központi pigmentje klorofill-a. Amikor ez a klorofill-a fotont nyel el, gerjesztett állapotba kerül, és elektront ad le. Ezt az elektront az I. fotorendszer az elektronszállító rendszerről felvett elektronnal pótolja.
  • e⁻
  • H₂O - A víz a talajból kerül a növénybe. A fotoszintézis során oxigénre, protonokra (H⁺) és elektronokra (e⁻) bomlik.
  • O
  • H⁺
  • O₂ - A fotoszintézis során melléktermékként képződik. A heterotróf élőlények oxigénigényét Földünkön a fotoszintézis fedezi.
  • PQ - Plasztokinon. A II. fotorendszer által leadott elektronokat továbbítja a citokróm komplexhez.
  • cit - Citokróm-komplex. Vastartalmú fehérjét tartalmaz. A PQ-tól felveszi az elektronokat, és továbbítja a PC felé. Eközben H⁻-okat pumpál a membránon keresztül a tilakoid üregébe.
  • PC - Plasztocianin. A citokróm-komplextől veszi át az elektronokat, és az I. fotorendszerre továbbítja őket.
  • Fd - Ferredoxin. Felveszi az I. fotorendszertől az elektront, és továbbadja az FNR molekulának.
  • FNR - Ferredoxin NADP reduktáz. Elektront továbbít a ferredoxin és a NADP között, azaz redukálja a NADP-t.
  • foszfát
  • ADP
  • ATP - ADP és foszfát egyesülésével képződik. A sejtek központi energiaszolgáltató molekulája. Felhasználásával képződik a sötétszakaszban a szervetlen szén-dioxidból szerves cukormolekula.
  • NADP - Az FNR-ről felvett e⁻ és az ATPázon átáramló H⁺ felvételével redukálódik: NADPH-vá alakul.
  • NADPH
  • ATPáz - ATP-termelő enzimfehérje. A H⁺-ionok a tilakoid membrán belső oldaláról rajta keresztül áramolnak a külső oldalra. A belső oldalról a H⁺-ok kifelé „törekszenek” a nagy H⁺-koncentráció és pozitív töltéstöbblet miatt. Ezért az ATPázon való átáramlás során energia szabadul fel, ami ATP keletkezésére fordítódik.
  • elektronszállító rendszer - A II. fotorendszer gerjesztett e⁻-jai az elektron-transzportláncon keresztül vándorolnak az I. fotorendszerre. Eközben H⁺-ok lépnek át a membránon, és felhalmozódnak a tilakoid belső terében.
  • H⁺-okra ható hajtóerő

Sötétszakasz

  • ATP
  • ADP
  • NADPH
  • NADP
  • 5C - 5 szénatomos cukormolekula (pentóz-difoszfát).
  • CO₂ - Szén-dioxid. Szervetlen molekula, amelyekből a növény szerves molekulát: cukrot állít elő. Az 5 szénatomos cukor szénatomszámát növeli. A beépülését katalizáló enzimfehérje (Rubisco) a sötétreakciók kulcsenzime.
  • 3C
  • 3C - 3 szénatomos molekula (glicerinaldehid-3-foszfát)
  • 6C (glükóz) - A fotoszintézis terméke, mely 5 szénatomos cukorból és 1 szénatomos szervetlen szén-dioxidból képződik. A növény ezt használja fel a további anyagcserefolyamataiban keményítő-szintézisre, illetve a lebontó folyamatokban ATP-termelésre.
  • CO₂ megkötése, glicerinsav-3-foszfát képződése - A sötétszakasz kulcsreakciója. Itt épül be a szervetlen szén-dioxid a szerves cukormolekulába. Az autotróf folyamatok lényege, hogy szervetlen anyagból szerves anyag képződik. A szénatomszám molekulánként 5-ről 6-ra nő, a termék két darab 3 szénatomos glicerinsav-3-foszfát. A reakciót a Rubisco enzim katalizálja.
  • glicerinsav-1,3-difoszfát képződése - A 3 szénatomos glicerinsav-3-foszfát ATP felhasználásával glicerinsav-1,3-difoszfáttá alakul.
  • glicerinaldehid-3-foszfát képződése - A 3 szénatomos glicerinsav-1,3-difoszfát ugyancsak 3 szénatomos glicerinaldehid-3-foszfáttá alakul. A reakcióhoz NADPH szükséges, és szervetlen foszfát lép ki a molekulából (ezt az animáció az egyszerűség kedvéért nem tünteti fel).
  • glicerinaldehid-3-foszfát kilépése a ciklusból - Hat glicerinaldehid-3-foszfátból egy kilép a ciklusból, és a sejt glükózképzéshez használja fel.
  • pentóz-difoszfát képződése - Több lépésben, enzimek által katalizált reakciókban, ATP felhasználásával a 3 szénatomos glicerinaldehid-3-foszfát-molekulák 5 szénatomos pentóz-difoszfáttá (ribulóz-1,5-difoszfáttá) alakulnak. Ezt a ribulóz-1,5-difoszfát regenerációjának is nevezzük. A ciklus újraindul.

Mesterséges levél

  • nitrid félvezető - Olcsó, széles körben használt félvezető. Fényenergia segítségével a vizet bontja. Ez megfelel a fotoszintézis fényszakaszának.
  • fém katalizátor - A szén-dioxid redukcióját katalizálja. Ez megfelel a fotoszintézis sötétszakaszának. Szén-dioxidból szerves anyagot (hangyasavat) állít elő.
  • H₂O
  • O₂
  • H⁺
  • e⁻
  • CO₂
  • HCOOH (hangyasav)

Animáció

Narráció

A fotoszintézis lényege, hogy a növény fényenergia felhasználásával szervetlen szén-dioxidból szerves anyagot, szőlőcukrot állít elő. A folyamat során oxigén képződik.

A fotoszintézis a zöld növényi részekben zajlik: ilyen a levél és gyakran a lágy szár is. A zöld színt a táplálékkészítő alapszövet okozza, melynek sejtjeiben nagy mennyiségben találunk fotoszintetizáló zöld színtesteket.

A zöld színtestek kettős membránnal rendelkeznek, belső membránjuk a korong alakú tilakoidokat alkotja. A tilakoidok egymásra pakolódva képezik az oszlopos gránumot. A tilakoidok membránja tartalmazza a fotoszintézis fényszakaszának kulcsenzimeit.

Ezek közül kiemelkedő fontosságú a két fotorendszer, és a köztük található elektronszállító rendszer.
A fotorendszerekben fehérjékhez kötött fényelnyelő pigmenteket találunk, melyek közül a zöld színű klorofill a legfontosabb.
A kettes fotorendszer központi klorofill-a molekulái foton hatására gerjesztődnek, és elektront adnak le. Ezek az elektronok az elektronszállító rendszerre kerülnek. Az elektronhiányos, oxidált klorofill az elektronjait vízmolekulákból pótolja, ez a folyamat a vízbontás: a vízmolekulák oxigénjei egyesülnek oxigénmolekulákká, a protonok pedig a belső oldalon halmozódnak fel.
Az elektronszállító rendszer első tagja a plasztokinon, amely az elektronokat a citokróm-komplexnek adja tovább. A citokróm vastartalmú fehérje, amely az elektronokat továbbítja a plasztocianinnak, miközben további protonokat pumpál a belső oldalra.
Az elektron-transzportláncról az elektronok az I. fotorendszerre kerülnek.
Az I. fotorendszer központi klorofill-molekulája elektronhiányos állapotban van, mivel fotonok hatására előzőleg elektronokat adott le. A leadott elektronok a ferredoxin molekulák közvetítésével a ferredoxin NADP reduktázra kerülnek.
A fényszakaszban a belső oldalon protonok halmozódnak fel, ezért itt a protonkoncentráció nő, illetve pozitív töltéstöbblet alakul ki. Ez kifelé irányuló hajtóerőt hoz létre. A protonok az ATPázon keresztül tudnak kiáramolni, eközben energia szabadul fel, hiszen nagy energiájú állapotból a töltés- és koncentrációkiegyenlítés miatt a rendszer kisebb energiájú állapotba kerül. A felszabaduló energia ATP-termelésre fordítódik. A kilépő protonokat és az elektronokat NADP veszi fel, és NADPH képződik.
Összefoglalva: a fotonok energiájának felhasználásával a protonok egyenlőtlen eloszlása alakul ki. Az emiatt ébredő hajtóerő ATP termelésére fordítódik.

A sötétszakasz reakciói nem igényelnek fényt. A sötétreakciók során a fényszakaszban termelt ATP energiájának és a NADPH hidrogénjeinek felhasználásával szén-dioxid beépítése zajlik szerves vegyületekbe.
Induljunk ki 3 darab 5 szénatomos cukorból! Ezek össz-szénatomszáma 15. Egy enzimfehérje mindhárom cukormolekulába egy-egy szén-dioxidot épít be, miközben a termékek kettéhasadnak. Így 6 darab 3 szénatomos molekula keletkezik: az össz-szénatomszám 18-ra nőtt. Ezután 1-1 NADPH és 1-1 ATP felhasználásával glicerinaldehid-3-foszfát képződik. Ezek egyike kilép a ciklusból, a többi 3 ATP felhasználásával visszaalakul 3 darab 5 szénatomos cukorrá, és a ciklus újraindul. Összességében tehát a körfolyamatban felszabadult egy 3 szénatomos molekula, ehhez szükség volt ATP-kre és NADPH-kra, melyek a fényszakaszban képződtek. Két ilyen ciklusban két 3 szénatomos molekula keletkezik, melyek összekapcsolódva a 6 szénatomos glükózzá alakulnak. A keletkezett glükózból a növény tartalék-tápanyagot, keményítőt állít elő, illetve a lebontó anyagcsere-folyamatokban ATP-termelésre használja.

Kísérletek folynak a mesterséges fotoszintetizáló rendszerek létrehozására. A mesterséges levélben két edényben elkülönítve zajlanak a fényreakciók és a sötétreakciók. A fényreakciók egy nitrid félvezetőn mennek végbe, amelyet megvilágítva vízbontás zajlik. Az oxigén buborékok formájában távozik, a protonok és egy vezetéken keresztül az elektronok átjutnak a másik edénybe, ahol a sötétreakciók zajlanak. Itt a fémkatalizátor segítségével hangyasav képződik szén-dioxidból és vízből. A rendszer lehetővé teszi a napfény energiájának hasznosítását. Emellett lehetőséget teremthet a légköri szén-dioxid mennyiségének csökkentésére, ami az üvegházhatás mérséklését segítheti.

Kapcsolódó extrák

Állati és növényi sejt, sejtszervecskék

Az eukarióta sejtekben számos sejtszervecskét találunk.

Az oxigén körforgása

Az élőlények többsége számára nélkülözhetetlen oxigén Földünkön folyamatos körforgásban van.

Klorofill

A növények zöld színanyaga, a fényenergia befogásában, és így a fotoszintézisben nélkülözhetetlen.

Üvegházhatás

Az üvegházhatás emberi tevékenység hatására fokozódik, és a globális felmelegedést okozza.

Enzimműködés

Az enzimek biokémiai reakciókat katalizáló fehérjemolekulák, melyek működése szabályozható.

Levegőszennyezés

Az animáció a levegőszennyezés fő forrásait: a mezőgazdasági, ipari és települési légszennyezést mutatja be.

Transzportfolyamatok

Az animáció a sejthártyán keresztül zajló passzív és aktív transzportfolyamatokat foglalja össze.

A Nap

A Nap átmérője Földünkének kb. 109-szerese. Anyagának nagy része hidrogén.

A szén körforgása

A szén a fotoszintézis során beépül a szerves anyagokba, a légzés során pedig leadódik.

ADP, ATP

Az ATP a sejtek legfontosabb energiaszolgáltató molekulája.

Erdőirtás

Az erdők kiirtása számos negatív hatással van a környezetre.

Felületi feszültség

A felületi feszültség a folyadékok azon alapvető sajátsága, hogy a lehető legkisebb fajlagos felületű alakzatot igyekeznek felvenni.

Levél felépítése

Az animáció bemutatja a főbb levéltípusokat és az egyszikű és kétszikű növények levelei közötti különbségeket.

Mag és csírázás

A kétszikűek két, az egyszikűek egy sziklevéllel csíráznak.

Niche

A niche az élőlények, illetve populációk környezeti igényeit jellemző elvont fogalom.

Óriás amőba

Édesvízben közönséges heterotróf egysejtű, melynek alakja folyamatosan változik.

Oxigén (O₂) (középfok)

A Föld leggyakoribb eleme, mely az élethez nélkülözhetetlen.

Vegetatív növényi szervek

A növény életben maradásához, fejlődéséhez szükséges szervek.

Virág

Az animáció segítségével megismerhetjük egy tipikus virág felépítését.

Egyszikű és kétszikű növények összehasonlítása

A zárvatermő növények két nagy csoportját képezik az egyszikűek és a kétszikűek.

Zöld szemesostoros

Autotróf és heterotróf anyagcserére egyaránt képes ostoros, édesvizekben élő egysejtű.

Kosárba helyezve!