FOTOSISTĒMAS: KOMPONENTI, DARBĪBA UN VEIDI - BIOLOĢIJA - 2025

The photosystems ir funkcionālās vienības fotosintēzes procesā. Tos nosaka to asociācijas formas un īpaša fotosintētisko pigmentu un olbaltumvielu kompleksu organizācija, kas spēj absorbēt un pārveidot gaismas enerģiju, procesā, kas ietver elektronu pārnešanu.

Ir zināmi divu veidu fotosistēmas, ko sauc par I un II fotosistēmas secības dēļ, kādā tās tika atklātas. I fotosistēmā ir ļoti liels hlorofila daudzums, salīdzinot ar hlorofila b daudzumu, savukārt II fotosistēmā ir ļoti līdzīgi abu fotosintētisko pigmentu daudzumi.

Fotosistēmas I diagramma, ņemta un rediģēta no: Pisum.

Fotosistēmas atrodas fotosintētisko organismu, piemēram, augu un aļģu, tiroidoīdu membrānās. Tos var atrast arī zilaļģēs.

Hloroplasti

Hloroplasti ir sfēriski vai iegareni organeli, kuru diametrs ir aptuveni 5 μm un kas satur fotosintētiskus pigmentus. Tā iekšienē augu šūnās notiek fotosintēze.

Tos ieskauj divas ārējās membrānas, un iekšpusē tie satur maisiņiem līdzīgas struktūras, ko arī ieskauj divas membrānas, ko sauc par tireoīdiem.

Tilakoīdi ir sakrauti, veidojot grupu, kas saņem grana vārdu, bet šķidrumu, kas ieskauj tireoīdus, sauc par stromu. Turklāt tireoīdus ieskauj membrāna, ko sauc par lūmenu un kas norobežo intratilakoidālo telpu.

Gaismas enerģijas pārvēršana ķīmiskajā enerģijā fotosintēzes laikā notiek vairogdziedzera membrānās. No otras puses, ogļhidrātu ražošana un uzglabāšana fotosintēzes rezultātā notiek stromās.

Fotosintētiskie pigmenti

Tie ir proteīni, kas spēj absorbēt gaismas enerģiju, lai tos izmantotu fotosintēzes procesā, tie ir pilnīgi vai daļēji saistīti ar vairogdziedzera membrānu. Fotosintēzes gaismas reakcijās tieši iesaistītais pigments ir hlorofils.

Augos ir divi galvenie hlorofila veidi, kurus sauc par hlorofiliem a un b. Tomēr dažās aļģēs var būt arī citi hlorofila veidi, piemēram, c un d, pēdējie ir tikai dažās sarkanās aļģēs.

Ir arī citi fotosintētiski pigmenti, piemēram, karotīni un ksantofīli, kas kopā veido karotinoīdus. Šie pigmenti ir izoprenoīdi, kas parasti sastāv no četrdesmit oglekļa atomiem. Karotīni ir bez skābekļa piesaistīti karoteinoīdi, savukārt ksantofīli ir ar skābekli piesātināti pigmenti.

Augos tikai hlorofils a ir tieši iesaistīts gaismas reakcijās. Atlikušie pigmenti tieši neuzsūc gaismas enerģiju, bet darbojas kā papildu pigmenti, pārnesot no gaismas iegūto enerģiju uz hlorofilu a. Tādā veidā tiek sagūstīts vairāk enerģijas, nekā tikai hlorofils varētu uztvert.

Fotosintēze

Fotosintēze ir bioloģisks process, kas ļauj augiem, aļģēm un dažām baktērijām izmantot enerģiju, kas nāk no saules gaismas. Izmantojot šo procesu, augi izmanto gaismas enerģiju, lai atmosfēras oglekļa dioksīdu un ūdeni, kas iegūts no augsnes, pārveidotu glikozē un skābeklī.

Gaisma izraisa sarežģītas oksidācijas un reducēšanās reakciju virknes, kas ļauj gaismas enerģiju pārveidot ķīmiskajā enerģijā, kas nepieciešama fotosintēzes procesa pabeigšanai. Fotosistēmas ir šī procesa funkcionālās vienības.

Fotosistēmu komponenti

Antenu komplekss

To veido liels skaits pigmentu, ieskaitot simtiem hlorofila molekulu a un vēl lielāku papildu pigmentu daudzumu, kā arī fikobilīnus. Sarežģītā antena ļauj absorbēt lielu enerģijas daudzumu.

Tas darbojas kā piltuve vai kā antena (tātad tās nosaukums), kas uztver saules enerģiju un pārveido to ķīmiskajā enerģijā, kas tiek nodota reakcijas centrā.

Pateicoties enerģijas pārnešanai, hlorofils, kura molekula atrodas reakcijas centrā, saņem daudz vairāk gaismas enerģijas, nekā tā būtu ieguvusi pati. Turklāt, ja hlorofila molekula saņem pārāk daudz gaismas, tā varētu fotoksidēties un augs mirtu.

Reakcijas centrs

Tas ir komplekss, kas sastāv no hlorofila molekulām, molekulas, kas pazīstamas kā primārā elektronu receptoru, un daudzām olbaltumvielu apakšvienībām, kas tos ieskauj.

Darbojas

Parasti hlorofila molekula, kas atrodas reakcijas centrā un kas ierosina fotosintēzes gaismas reakcijas, tieši nesaņem fotonus. Papildu pigmenti, kā arī dažas hlorofila a molekulas, kas atrodas antenas kompleksā, saņem gaismas enerģiju, bet to tieši neizmanto.

Šī enerģija, ko absorbē antenas komplekss, tiek pārnesta uz reakcijas centra hlorofilu a. Katru reizi, kad tiek aktivizēta molekula ar hlorofilu, tā atbrīvo elektronu, kuru baro ar enerģiju, un pēc tam to absorbē primārais elektronu receptors.

Tā rezultātā primārais akceptors tiek samazināts, savukārt hlorofils a atgūst savu elektronu, pateicoties ūdenim, kas darbojas kā galīgais elektronu atbrīvotājs un skābeklis tiek iegūts kā blakusprodukts.

Veidi

I fotosistēma

Tas ir atrodams uz tireoidālo membrānas ārējo virsmu, un tajā ir mazs hlorofila b daudzums, kā arī hlorofils a un karotinoīdi.

Hlorofils a reakcijas centrā labāk absorbē 700 nanometru (nm) viļņu garumu, tāpēc to sauc par P700 (pigments 700).

I fotosistēmā kā galīgie elektronu akceptori darbojas ferodoksīna grupas olbaltumvielu grupa - dzelzs sulfīds.

II fotosistēma

Tas vispirms darbojas gaismas pārveidošanas procesā fotosintēzē, bet tas tika atklāts pēc pirmās fotosistēmas. Tas ir atrodams uz tireoidālo membrānas iekšējo virsmu, un tajā ir lielāks hlorofila b daudzums nekā I fotosistēmā. Tas satur arī hlorofilu a, fikobilīnus un ksantofilus.

Šajā gadījumā hlorofils a reakcijas centrā labāk absorbē 680 nm viļņa garumu (P680), nevis 700 nm viļņa garumu kā iepriekšējā gadījumā. Galīgais elektronu akceptors šajā fotosistēmā ir hinons.

II fotosistēmas shēma. Takenēts un rediģēts no: Oriģināldarbu veidojis Kaidors. .

Saistība starp I un II fotosistēmu

Fotosintēzes procesam ir vajadzīgas abas fotosistēmas. Pirmā darbotā fotosistēma ir II, kas absorbē gaismu, un tādējādi elektroni reakcijas centra hlorofilā ir satraukti, un primārie elektronu akceptori tos uztver.

Gaismas ierosinātie elektroni pārvietojas uz I fotosistēmu caur elektronu transporta ķēdi, kas atrodas tireoidālajā membrānā. Šis pārvietojums izraisa enerģijas kritumu, kas ļauj transportēt ūdeņraža jonus (H +) caur membrānu virzienā uz tiroidoīdu lūmenu.

Ūdeņraža jonu transportēšana nodrošina enerģijas atšķirību starp tiroidoīdu lūmena telpu un hloroplastu stromu, kas kalpo ATP ģenerēšanai.

Hlorofils I fotosistēmas reakcijas centrā saņem elektronu, kas nāk no II fotosistēmas. Elektrons var turpināties cikliskā elektronu transportā ap I fotosistēmu vai tikt izmantots, lai veidotu NADPH, kuru pēc tam transportē uz Kalvina ciklu.

Atsauces

1. MW Nabors (2004). Ievads botānikā. Pearson Education, Inc.
2. Fotosistēma. Vietnē Wikipedia. Atgūts no vietnes en.wikipedia.org.
3. I fotosistēma, Vikipēdijā. Atgūts no vietnes en.wikipedia.org.
4. Fotosintēze - I un II fotosistēmas. Atgūts no britannica.com.
5. B. Andersons un LG Franzen (1992). Skābekļa fotosintēzes fotosistēmas. In: L. Ernsters (Red.). Bioenerģētikas molekulārie mehānismi. Elvieser Science Publishers.
6. EM Yahia, A. Carrillo-López, GM Barrera, H. Suzán-Azpiri & MQ Bolaños (2019). 3. nodaļa - Fotosintēze. Augļu un dārzeņu fizioloģija un bioķīmija pēc ražas novākšanas.