II. gimnazija Maribor
PROJEKTNA NALOGA
Mentor vsebine: prof. Katja HOLNTHANER ZOREC
Mentor oblike: prof. Mirko PEŠEC
Predmet: biologija, informatika Avtor: Tjaša Žiberna, 1.c
Maribor, januar 2005
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
KAZALO VSEBINE
KAZALO VSEBINE............................................................................................................. 2
SLIKOVNO KAZALO ......................................................................................................... 3
UVOD.................................................................................................................................... 4
1 KRATEK PREGLED FOTOSINTEZE ............................................................................. 5
2 KLOROPLASTI................................................................................................................. 6
3 SVETLOBNE REAKCIJE FOTOSINTEZE ..................................................................... 9 3.1 NECIKLIČNA ELEKTRONSKA TRANSPORTNA VERIGA .............................. 9 3.2 CIKLIČNA ELEKTRONSKA TRANSPORTNA VERIGA.................................... 10
4 TEMOTNE REAKCIJE FOTOSINTEZE ....................................................................... 10
5 POSEBNOSTI.................................................................................................................. 12
6 VPIV ZUNANJIH DEJAVNIKOV NA FOTOSNTEZO................................................ 14
7 LIST.................................................................................................................................. 15
ZAKLJUČEK...................................................................................................................... 16
LITERATURA.................................................................................................................... 17
2/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
SLIKOVNO KAZALO Slika 1: Spekter elektromagnetnega sevanja, ki nastane po razkolu sončne svetlobe z
optično prizmo............................................................................................................... 5 Slika 2: Nastajanje sladkorja v zelenih rastlinah................................................................... 6 Slika 3: Strukturna formula molekule klorofila A in B......................................................... 7 Slika 4: 30 000-krat povečan kloroplast pod elektronskim mikroskopom............................ 8 Slika 5: Prerez kloroplasta v katerem so lepo vidne tilakoide............................................... 8 Slika 6: Neciklična elektronska transportna veriga ............................................................... 9 Slika 7: Ciklična elektronska transportna veriga................................................................. 10 Slika 8: Potek fotosinteze .................................................................................................... 12 Slika 9: List in celica listne sredice C3-rastline ................................................................... 13 Slika 10: List in celica listne sredice C4-rastline ................................................................. 13 Slika 11: Prerez lista ............................................................................................................ 15
3/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
UVOD
Vsi organizmi potrebujejo za procese presnove energijo, ki jo pridobijo s hrano.
Poznamo heterotrofne organizme, ki pridobijo energijo z razgradnjo organskih snovi
drugih organizmov (asimilacija CO2) Takšni organizmi so glive, bakterije in druge živali.
Poznamo pa tudi avtotrofne organizme, ki gradijo organske molekule iz preprostih
anorganskih spojin (voda in ogljikov dioksid), s pomočjo svetlobe ali kemične energije.
Tako živijo nekatere bakterije, modrozelene cepljivke, in vse rastline, ki imajo
asimilacijska barvila. To so barvila, ki sodelujejo v svetlobnih reakcijah fotosinteze.
Energijo, ki je potrebna za pretvorbo tujih snovi v sebi lastne, dobijo organizmi od sonca,
ta energija pa lahko nastane tudi v kemičnih reakcijah kot je na primer oksidacija
žveplovega dioksida. Temu pravimo kemosinteza, to pa poteka v žveplovih bakterijah.
Fotosinteza ali asimilacija1 ogljikovega dioksida v zelenih rastlinah, je nujno potrebna za
življenje, saj rastline ne proizvajajo energije samo zase, ampak tudi za vse heterotrofne
organizme.
1 Asimilacija je pretvorba tujih snovi v sebi lastne
4/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
1 KRATEK PREGLED FOTOSINTEZE
Fotosinteza je kemijska reakcija, ki poteka v zelenih rastlinah. Rastline pretvarjajo
svetlobno energijo v kemično, kar omogoči pretvorbo vode in ogljikovega dioksida v
sladkor. Pri fotosintezi nastajajo organske snovi iz anorganskih. Poenostavljena enačba
fotosinteze je:
6CO2 + 12 H2O C⎯→⎯ 6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
Energija, ki je potrebna za fotosintezo, prihaja na zemljo v obliki fotonov, ki so najmanjši
delci svetlobne energije. Fotoni imajo različno energijo. Za fotosintezo so potrebni fotoni
rdeče in modre barve. Rastline usvojijo 1–5 % svetlobe, ki pade na Zemljo.
Slika 1: Spekter elektromagnetnega sevanja, ki nastane po razkolu sončne svetlobe z optično prizmo
Rastline energijo shranijo v energijsko bogatih snoveh. Svetlobno energijo
pretvorijo v kemično. Energijsko bogata snov je adezin trifosfat ATP, ki je vsestranski
shranjevalec energije, vnaša pa jo lahko tudi v druge kemijske procese, ne da bi pri tem
postal sestavni del njihovih končnih produktov. Sprememba energije je torej del
fotosinteze. Za to spremembo je potrebna svetloba, zato reakcije imenujemo svetlobne
reakcije fotosinteze. Takšna reakcija je tudi fotoliza ali razpad vode. H2O razpade na
vodikov H+ in hidroksilni OH- ion. Iz hidroksilnega iona nastane voda in kisik, ki se
izloča.
5/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
Vodikov ion pa se veže na nikotinamid adenin dinukleotid fosfat NADP, pri čemer nastane
NADPH + H+, ki je eno najmočnejših redukcijskih sredstev (prenašalec vodikovih ionov)
v celici. ATP in NADPH + H+ sta nujno potrebna za vezavo CO2 v sladkor. Za to vezavo
svetloba ni več potrebna, nastopijo torej temotne reakcije fotosinteze, ki lahko potekajo
tudi v temi. Tako svetlobne kot tudi temotne reakcije fotosinteze potekajo v kloroplastih.
Slika 2: Nastajanje sladkorja v zelenih rastlinah
2 KLOROPLASTI
Kloroplast je fotosintetski aparat, ki ga obdajata dve membrani. Iz notranjega sloja
membrane kloroplasta se v stromo gubajo izrazki, ki jih imenujemo tilakoide. V tilakoidah
so molekule asimilacijskih barvil (barvila, ki sodelujejo v svetlobnih reakcijah fotosinteze)
razporejene v posebnih skupkih, imenovane fotosintetske enote. Fotosintetska enota
vsebuje molekule klorofila A (C55H72O5N4Mg) in molekule klorofila B (C55H70O6N4Mg),
ki sta v razmerju 3:1. V njej so še tudi druga barvila npr. oranžni karoten in rumeni
ksantofil. Nekatere alge imajo tudi drugačna barvila, rdeče je imenovano fikoeritrin. Vsaka
fotosintetska enota vsebuje dva fotosistema, ki se med sabo ločita po glavnem barvilu v
reakcijskem centru fotosistema:
6/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
Fotosistem 1: Klorofil A z absorpcijskim vrhom 700 nm
Fotosistem 2: Klorofil B z absorpcijskim vrhom 680 nm
Slika 3: Strukturna formula molekule klorofila A in B
Absorpcijski vrh nam pove, katero valovno dolžino svetlobe klorofil absorbira v rdečem
delu spektra. Druga asimilacijska barvila absorbirajo svetlobe drugih valovnih dolžin
predvsem modri, vijoličasti in rdeči del spektra. Zelene svetlobe ne morejo absorbirati in jo
bodisi odbijejo ali prepuščajo – zato je večina listov zelene barve. V tilakoidnih
membranah potekajo svetlobne reakcije fotosinteze. V matriksu ali stromi kloroplasta pa so
encimi, ki so potrebni za potek temotnih reakcij.
7/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
Slika 4: 30 000-krat povečan kloroplast pod elektronskim mikroskopom
Slika 5: Prerez kloroplasta v katerem so lepo vidne tilakoide
8/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
3 SVETLOBNE REAKCIJE FOTOSINTEZE
Svetloba obseva kloroplast. Določen elektron klorofilne molekule prevzame
energijo svetlobnega iona. Energijo prenese na drugo molekulo v fotosistemu in končno h
glavnemu barvilu klorofilu 700 v reakcijskem centru fotosistema 1, oziroma klorofilu 680
v reakcijskem centru fotosistema 2. Sprejemna molekula v tilakoidni membrani, ki je tesno
povezana z glavnim barvilom, prevzame energetsko vzbujen elektron od glavnega barvila.
Potem se elektron prenaša prek spejemnih in oddajnih molekul v tilakoidni membrani, kar
imenujemo fotoelektronska transportna veriga.
3.1 NECIKLIČNA ELEKTRONSKA TRANSPORTNA VERIGA
Končni sprejemnik fotoelektronske transportne verige je molekula NADP, ki se
zato reducira v NADPH + H+. V klorofilni molekuli, katere ion se je prenesel na NADP,
pa izpraznjeno mesto nadomesti elektron, ki se sprosti ob svetlobnem razpadu ali fotolizi
vode. V elektronski transportni verigi sodelujeta oba fotosistema, ki s sprejeto svetlobno
energijo poganjata elektronsko transportno verigo. Transportni verigi, ki omogoči cepitev
vode in nastanek NADPH + H+ pravimo neciklična transportna veriga. Ob prenosu
elektronov po tilakoidni membrani so skozi njo prenesejo tudi protoni H+ v notranjost
tilakoidne vrečke. Ob vračanju na drugo stran membrane pa omogočajo, da encim ATP-
aza, ki se nahajajo v tilakoidni membrani, iz ADP in P zgradi ATP. Temu načinu
nastajanja ATP pravimo kemiosmoza. Končna produkta neciklične transportne verige sta
torej NADPH + H+ in ATP. Zaradi cepitve H2O izhaja kisik.
Slika 6: Neciklična transportna veriga
9/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
3.2 CIKLIČNA TRANSPORTNA VERIGA
Rastlina pa potrebuje za vezavo ogljikovega dioksida potrebuje več molekul ATP,
kot jih nastane pri necikličnem transportu elektronov. Zato poteka v tilakoidni membrani
še ciklična transportna veriga. Elektron glavnega pigmenta v fotosistemu 1, ki je sprejel
sončno svetlobo, se prek prenašalnih molekul vrne h klorofilni molekuli, njegova energija
pa se porabi za nastanek ATP. Proizvod cikličnega transporta elektronov je torej le ATP.
Ciklični proces zapišemo s kemijsko enačbo: ADP + P ATP
Celotno svetlobno reakcijo fotosinteze pa zapišemo:
2NADP + 2ADP +2P + 2H2O 2NADPH + H+ + 2ATP + O2
Slika 7:Ciklična transportna veriga
4 TEMOTNE REAKCIJE FOTOSINTEZE
Za vezavo CO2 svetloba več ni potrebna. Potrebni pa so encimi, ki so raztopljeni v
matriksu kloroplasta. Celoten proces so znanstveniki odkrili z radioaktivnim ogljikom v
CO2. Alge so izpostavili radioaktivnemu ogljikovemu dioksidu in spremljali, kam se je
radioaktivni ogljik vgradil. CO2 se je vezal na sladkor s petimi ogljikovimi atomi –
ribulozo, ki je povezan z dvema molekulama fosforja – ribulozabifosfat. Nastaneta dve
10/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
molekuli s 3 ogljikovimi atomi – fosfoglicerat . Iz molekul s tremi C-atomi nastane
molekula s šestimi C-atomi – heksoza. Za njen nastanek se porabljata ATP in NADPH +
H+. Sladkor fruktoza je prvi proizvod fotosinteze, vsaka šesta molekula sladkorja zapusti
cikel, vse ostale pa se prek ogljikovih hidratov pretvorijo nazaj v ribulozabifosfat, za kar je
spet potreben ATP. Ta proces se imenuje CALVINOV CIKEL. Za eno molekulo sladkorja
potrebuje rastlina 48 fotonov. Kasneje nastane iz fruktoze tudi glukoza. S povezovanjem
molekul glukoze nastane v kloroplastu škrob. Proizvodi fotosinteze kloroplast zapustijo kot
triozafosfati. V citoplazmi iz njih nastanejo sladkorji. Iz glukoze in fruktoze nastane
saharoza, ki lahko potuje po rastlini v druge dele, se tam shranjuje ali pa se porabi pri
dihanju. Shranjuje se lahko kar kot saharoza, na primer pri sladkorni pesi ali pa se pretvori
v rezervni škrob. Vmesne snovi Calvinovega cikla so tudi izhodišče za nastanek
aminokislin in maščobnih kislin ter beljakovin in maščob.
Tabela 1: Primerjava svetlobnih in temotnih reakcij fotosintete
SVETLOBNE REAKCIJE
FOTOSINTEZE
TEMOTNE REAKCIJE
FOTOSINTEZE
KJE POTEKAJO? v tilakoidah v matriksu ali stromi
kloroplasta
KAJ SE DOGAJA? svetlobna energija se
spremeni v kemično
vezava CO2 v sladkor
POTREBNE SNOVI svetloba, H2O, NADP, ADP ATP, NADPH + H+
KONČNI PRODUKTI NADPH + H+, ATP, O2 fruktoza, Glukoza, škrob
11/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
Slika 8: Potek fotosinteze
5 POSEBNOSTI
astline, pri katerih je prvi proizvod pri vezavi CO2 snov s tremi
ogljikovimi atomi (fosfoglicerat), imenujemo C3-rastline. Druge rastline
kot sta na primer sladkorni trs in koruza, pa imajo posebno zgradbo
listne sredice. CO2 se veže a štirimi ogljikovimi atomi (malat), zato se imenujejo C4-
rastline. Vezavo CO2 v malat omogoča poseben encim, ki je zelo občutljiv za količino
CO2 in ga lahko veže tudi takrat, ko ga je v listu zelo malo. To se dogaja v vročih sončnih
dneh. Malat nastane v listni sredici, nato pa preide v celice žilnega ovoja. Tukaj se pretvori
v novo snov, pri tem pa se sprosti CO2. Ta se vključi v Calvinov cikel. Takšne rastline
lahko tako v vročih dneh, ko je malo CO2 v zraku, vežejo več CO2 kot C3-rastline. Tako
ustvarijo tudi več sladkorja.
R
12/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
Slika 9: List in celica listne sredice C3-rastline
Slika 10: List in celica listne sredice C4- rastline
Sočnice so rastline, ki imajo ponoči listne reže odprte. Pri tem kopičijo malat v
vakuolah. Čez dan ga potem porabijo kot CO2. Da ne izgubijo preveč vode, imajo listne
reže podnevi zaprte, toda fotosinteza kljub temu poteka. Ko se malat pretvarja, se sproščeni
CO2 vključi v Calvinov cikel. Takšnemu tipu fotosinteze pravimo kisli metabolizem
sočnic.
Nekatere vrste bakterij – fotosinteske bakterije – vsebujejo asimilacijsko barvilo,
kar jim omogoča fotosintezo. Za vir elektronov uporabljajo žveplovodik namesto vode.
Stranski proizvod je tako žveplo in ne kisik.
6CO2 + 12H2S C6H12O6 + 6H2O + 12 S
13/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
6 VPIV ZUNANJIH DEJAVNIKOV NA FOTOSNTEZO
Na potek fotosinteze vplivajo svetloba, koncentracija Co2 v zraku in temperatura,
pa tudi voda in minerali. Fotosinteza narašča z intenzivnostjo svetlobe. Prevelika osvetlitev
pa lahko poškoduje asimilacijska barvila. Svetlobno jakost pri kateri je fotosinteza enaka
dihanju, imenujemo svetlobna kompenzacijska točka. Le pri višjih osvetlitvah od te
svetlobne jakosti, lahko rastline proizvajajo več kisika, kot ga lahko uporabijo. Različna
rastline imajo različne svetlobne kompenzacijske točke. Prav tako fotosinteza narašča z
večanjem koncentracije CO2. Temperatura vpliva na to, kako hitri bodo delovali encimi v
Calvinovem ciklu. V visokogorskih in polarnih območij poteka fotosinteza še pri zelo
nizkih temperaturah, V tropskih krajih pa lahko fotosinteza poteka tudi pri visokih
temperaturah.
Razmerje med fotosintezo in osvetljenostjo
0
10
20
30
40
50
60
0 500 1000 1500 2000
Osvetljenost v relativnih enotah
Rel
ativ
na h
itros
t fot
osin
teze
14/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
7 LIST
V celicah listov poteka fotosinteza, zato bi bilo dobro, če še malo pogledamo zunanjo in
notranjo zgradbo lista. List se veje drži s pecljem. Iz peclja vodijo v list žile. Na sredini
poteka glavna žila, iz katere na vsako stran vodijo stranske žile. Žile prenašajo snovi iz
lista in prav tako tudi v list, hkrati pa mu dajejo tudi čvrstost. Zgornja stran lista je
ponavadi gladka in sijoča, saj je pokrita s posebno vosku podobno snovjo. Imenuje se
kutikula (del zgornje povrhnjice) in če je dovolj tanka, je tudi dovolj vodotesna in ščiti list
pred izgubo prevelikih količin vode v primeru vročega in suhega vremena. Pod kutikolo se
nahajajo celice zgornje povrhnjice. V zgornji povrhnjici najdemo majhne luknjice
imenovane pore. Prav tako jih najdemo tudi na spodnji povrhnjici. Posamezno poro
omejujeta celici zapiralki. Zaprti sta v vročem vremenu in tak način prav tako preprečujeta
preveliko izhlapevanje vode. Površina lista je torej izoblikovana tako, da absorbira
največjo možno količino svetlobe in ogljikovega dioksida. Med spodnjo in zgornjo
povrhnjico je listna sredica. Zgornji del sredice je sestavljen iz stebričastega tkiva. Celice
tega tkiva vsebujejo veliko več klorofila, kot celice gobastega tkiva, ki se nahajajo pod
stebričastim tkivom. V prerezu lista lahko opazimo tudi listno žilo, ki sestoji iz ksilema, ki
prinaša v list vodo in druge mineralne snovi, in iz floema, ta pa odnaša produkte
fotosinteze iz lista.
Slika 11: Prerez lista
15/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
ZAKLJUČEK Vse življenje na Zemlji je torej popolnoma odvisno od sončne energije. Zelene rastline,
alge in nekatere vrste bakterij znajo v fotosintetskih procesih to energijo spreminjati v
kemično, ki jo vsa živa bitja uporabljajo za delovanje življenjskih procesov. Ta kemična
energija je vezana v preprostih sladkorjih; vsi fotosintetsko aktivni organizmi na svetu
izdelajo vsako leto približno 150 milijard ton sladkorjev. Na kopnem pa izdelajo toliko
sladkorja letno, ki bi po energiji ustrezal najboljšemu premogu, ki bi ga naložili na vlak, ki
bi bil 2500-krat daljši od ekvatorja. Na kopnem izdelajo manj kot polovico vseh
sladkorjev, medtem ko v vodi več. Fotosinteza je največji kemični proces na svetu.
Evolucija fotosinteze je bila izredno pomembna za nastanek Zemljinega ozračja, saj
je eden od končnih produktov tudi kisik. Njegove koncentracije v ozračju so se v
zadnjih dveh milijardah let za 50-krat povečale.
16/17
ŽIBERNA Tjaša Fotosinteza, Projektna naloga, II. gimnazija Maribor
LITERATURA Knjige:
• Biologija. 1989. Ljubljana : DZS.
• Družinska enciklopedija, Narava. 1996. Ljubljana : Mladinska knjiga.
• HAUPT, W., 1994. Biologija. Celovec ; Dunaj ; Ljubljana : Mohorjeva družba.
• KARLSON, P., 1980. Biokemija. Ljubljana : DZS.
• STUŠEK, P., PODOBNIK, A., in GOGALA, N. 2000. Biologija 1, Celica.
Ljubljana : DZS.
Internetne strani:
Fotosinteza. [Citirano 21. decembra 2004]. Dostopno na svetovnem
spletu : http://www.educa.fmf.uni-
lj.si/izodel/sola/1999/di/velikanje/les/fotosinteza.htm
Fotosinteza. [Citirano 21. decembra 2004]. Dostopno na svetovnem
spletu: http://ro.zrsss.si/projekti/kem-reakcije/r15foto.htm
17/17