FOTOSYSTEMY: ELEMENTY, DZIAŁANIE I TYPY - BIOLOGIA - 2026

W photosystems są jednostki funkcjonalne procesu fotosyntezy. Określają je formy asocjacji i szczególna organizacja barwników fotosyntetycznych i kompleksów białkowych zdolnych do pochłaniania i przekształcania energii świetlnej w procesie polegającym na przenoszeniu elektronów.

Znane są dwa typy fotosystemów, zwane fotosystemami I i II ze względu na kolejność, w jakiej zostały odkryte. Fotosystem I ma bardzo duże ilości chlorofilu a w porównaniu z ilością chlorofilu b, podczas gdy fotosystem II ma bardzo podobne ilości obu barwników fotosyntetycznych.

Diagram fotosystemu I. Zrobiono i zredagowano za: Pisum.

Fotoukłady znajdują się w błonach tylakoidów organizmów fotosyntetyzujących, takich jak rośliny i algi. Można je również znaleźć w cyjanobakteriach.

Chloroplasty

Chloroplasty to kuliste lub wydłużone organelle o średnicy około 5 µm zawierające barwniki fotosyntetyczne. Wewnątrz zachodzi fotosynteza w komórkach roślinnych.

Są otoczone dwiema zewnętrznymi membranami, a wewnątrz zawierają woreczkowate struktury, również otoczone dwiema membranami, zwanymi tylakoidami.

Tylakoidy są ułożone w stosy, tworząc grupę, która otrzymuje nazwę grana, podczas gdy płyn otaczający tylakoidy nazywa się zrębem. Dodatkowo tylakoidy są otoczone błoną zwaną prześwitem, która ogranicza przestrzeń międzyklakoidów.

Przemiana energii świetlnej w energię chemiczną podczas fotosyntezy zachodzi w błonach tylakoidów. Z drugiej strony produkcja i magazynowanie węglowodanów w wyniku fotosyntezy zachodzi w zrębach.

Pigmenty fotosyntetyczne

Są to białka zdolne do pochłaniania energii świetlnej do wykorzystania jej w procesie fotosyntezy, są całkowicie lub częściowo związane z błoną tylakoidów. Pigmentem bezpośrednio biorącym udział w lekkich reakcjach fotosyntezy jest chlorofil.

W roślinach występują dwa główne typy chlorofilu, zwane chlorofilami a i b. Jednak w niektórych algach mogą być obecne inne rodzaje chlorofilu, takie jak cid, ten ostatni występuje tylko w niektórych czerwonych algach.

Istnieją inne pigmenty fotosyntetyczne, takie jak karoteny i ksantofile, które razem tworzą karotenoidy. Te pigmenty są izoprenoidami składającymi się zazwyczaj z czterdziestu atomów węgla. Karoteny to nietlenione karoteinoidy, a ksantofile to utlenione pigmenty.

U roślin tylko chlorofil a jest bezpośrednio zaangażowany w reakcje świetlne. Pozostałe pigmenty nie pochłaniają bezpośrednio energii świetlnej, ale działają jako pigmenty pomocnicze, przekazując energię wychwyconą ze światła do chlorofilu a. W ten sposób wychwytuje się więcej energii, niż mógłby przechwycić sam chlorofil.

Fotosynteza

Fotosynteza to proces biologiczny, który umożliwia roślinom, algom i niektórym bakteriom wykorzystanie energii pochodzącej ze światła słonecznego. W tym procesie rośliny wykorzystują energię świetlną do przekształcania atmosferycznego dwutlenku węgla i wody uzyskanej z gleby w glukozę i tlen.

Światło powoduje złożoną serię reakcji utleniania i redukcji, które pozwalają na przekształcenie energii świetlnej w energię chemiczną niezbędną do zakończenia procesu fotosyntezy. Fotosystemy są jednostkami funkcjonalnymi tego procesu.

Elementy fotosystemów

Kompleks antenowy

Składa się z dużej liczby pigmentów, w tym setek cząsteczek chlorofilu a, a nawet większej ilości pigmentów pomocniczych, a także fikobilin. Złożona antena pozwala na pochłanianie dużej ilości energii.

Działa jak lejek lub jak antena (stąd jej nazwa), która wychwytuje energię słoneczną i przekształca ją w energię chemiczną, która jest przekazywana do centrum reakcji.

Dzięki transferowi energii cząsteczka chlorofilu znajdująca się w centrum reakcji otrzymuje znacznie więcej energii świetlnej, niż uzyskałaby samodzielnie. Ponadto, jeśli cząsteczka chlorofilu otrzyma zbyt dużo światła, może ulec fotooksydacji, a roślina umrze.

Centrum reakcji

Jest to kompleks złożony z cząsteczek chlorofilu a, cząsteczki znanej jako pierwotny receptor elektronów i licznych otaczających je podjednostek białkowych.

Funkcjonowanie

Generalnie cząsteczka chlorofilu a obecna w centrum reakcji, która inicjuje lekkie reakcje fotosyntezy, nie otrzymuje bezpośrednio fotonów. Pigmenty pomocnicze, a także niektóre cząsteczki chlorofilu a obecne w kompleksie antenowym odbierają energię świetlną, ale nie wykorzystują jej bezpośrednio.

Ta energia pochłonięta przez kompleks antenowy jest przenoszona do chlorofilu a centrum reakcji. Za każdym razem, gdy aktywowana jest cząsteczka chlorofilu, uwalnia pobudzony elektron, który jest następnie absorbowany przez pierwotny receptor elektronów.

W konsekwencji następuje redukcja pierwotnego akceptora, podczas gdy chlorofil a odzyskuje swój elektron dzięki wodzie, która pełni funkcję końcowego uwalniacza elektronów, a tlen jest produktem ubocznym.

Rodzaje

Fotosystem I

Występuje na zewnętrznej powierzchni błony tylakoidów i oprócz chlorofilu a i karotenoidów zawiera niewielką ilość chlorofilu b.

Chlorofil a w centrum reakcji lepiej absorbuje fale o długości 700 nanometrów (nm), dlatego nazywany jest P700 (pigment 700).

W fotosystemie I grupa białek z grupy ferrodoksyn - siarczek żelaza - działa jako końcowe akceptory elektronów.

Fotosystem II

Działa jako pierwsza w procesie przekształcania światła w fotosyntezę, ale została odkryta po pierwszym fotosystemie. Występuje na wewnętrznej powierzchni błony tylakoidów i ma większą ilość chlorofilu b niż fotosystem I. Zawiera również chlorofil a, fikobiliny i ksantofile.

W tym przypadku chlorofil a w centrum reakcji lepiej absorbuje długość fali 680 nm (P680), a nie długość fali 700 nm, jak w poprzednim przypadku. Ostatnim akceptorem elektronów w tym fotoukładzie jest chinon.

Schemat fotosystemu II. Zrobione i zredagowane z: Oryginalna praca była autorstwa Kaidora. .

Związek między fotosystemami I i II

Proces fotosyntezy wymaga obu fotosystemów. Pierwszym działającym fotosystemem jest II, który pochłania światło, a więc elektrony w chlorofilu w centrum reakcji są wzbudzane i wychwytują je pierwotne akceptory elektronów.

Elektrony wzbudzane przez światło wędrują do fotosystemu I przez łańcuch transportu elektronów znajdujący się w błonie tylakoidów. Przemieszczenie to powoduje spadek energii, który umożliwia transport jonów wodoru (H +) przez błonę w kierunku światła tylakoidów.

Transport jonów wodorowych zapewnia różnicę energii między przestrzenią światła tylakoidów a zrębem chloroplastów, która służy do generowania ATP.

Chlorofil w centrum reakcji fotoukładu I odbiera elektron pochodzący z fotosystemu II. Elektron może kontynuować cykliczny transport elektronów wokół fotosystemu I lub zostać użyty do utworzenia NADPH, który jest następnie transportowany do cyklu Calvina.

Bibliografia

1. MW Nabors (2004). Wprowadzenie do botaniki. Pearson Education, Inc.
2. Fotosystem. Na Wikipedii. Odzyskany z en.wikipedia.org.
3. Fotosystem I, w Wikipedii. Odzyskany z en.wikipedia.org.
4. Fotosynteza - Fotosystemy I i II. Odzyskany z britannica.com.
5. B. Andersson i LG Franzen (1992). Fotosystemy fotosyntezy tlenowej. W: L. Ernster (red.). Mechanizmy molekularne w bioenergetyce. Elvieser Science Publishers.
6. EM Yahia, A. Carrillo-López, GM Barrera, H. Suzán-Azpiri i MQ Bolaños (2019). Rozdział 3 - Fotosynteza. Fizjologia i biochemia pożniwna owoców i warzyw.