Fotosyntéza alebo fotosyntetická asimilácia je biochemický proces, jedinečný spôsob výživy rastlín za prítomnosti pigmentov. Miestom priebehu deja fotosyntézy sú chloroplasty obsahujúce potrebný pigment- chlorofyl. Primárne deje fotosyntézy prebiehajú na tylakoidoch a sekundárne v stróme chloroplastu.

Z fyzikálneho hľadiska je to premena svetelnej energie na energiu chemickej väzby, z chemického hľadiska je to prevedenie uhlíka z oxidovanej formy na formu redukovanú CO2 → C6H12O6 (premena oxidu uhličitého na glukózu za súčasného vzniku kyslíka). Je to endergonický redukčný dej, chemizmus fotosyntézy:

6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

podmienky fotosyntézy:

1. slnečné žiarenie

2. zelené farbivo

je schopné zachytávať slnečnú energiu. Podstatou fotosyntézy je, že sa premení na energiu chemických väzieb, slnečnú energiu využívajú jedine fotosyntetizujúce organizmy, všetky ostatné využívajú energiu kumulovanú v chemických väzbách- oxidáciou látok sa z väzby uvoľní energia. Z tohto hľadiska sú rastliny producentmi a heterotrofné organizmy konzumentmi.

Vo fylogenéze prebehol vývoj farebných pigmentov, najjednoduchšie sú bakteriochlorofyl, bakterioviridín – sú súčasťou rias, baktérií

Chlorofyl je zelený, pretože absorbuje modrú (vlnová dĺžka = 430-460 nm) a červenú časť (640-700 nm) svetelného spektra a ostatné odráža. Preto sa javí ako zelený a udáva tak základnú farbu všetkým fotosyntetizujúcim rastlinám

chlorofyl poznáme 5 typov: chlorofyl a,b,c,d,e

dvojice chlorofylov u rastlín:

chlorofyl a + b – zelené riasy, vyššie rastliny

chlorofyl a + c – hnedé riasy

chlorofyl a + d – červené riasy

ďalšie farbivá napomáhajúce fotosyntéze:

fykocyanín- nachádza sa v siniciach, je modrozelený

fykoerytrín- v riasach, sfarbený do červena

karotenoidy- červené farbivo, viac druhov, významný je  betakarotén- provitamín vitamínu A

xantofyly- žlté farbivá

3. oxid uhličitý CO2

vstupuje priamo do reakcie v tmavej fáze fotosyntézy, potrebná koncentrácia CO2 je 0,03- 0,04%, väčšie zmeny koncentrácie môžu fotosyntézu spomaliť až úplne zastaviť

4. voda H2O

množstvo vody ovplyvňuje rýchlosť fotosyntézy, do reakcie priamo vstupuje, je potrebná pre fotolýzu vody (Hillovu reakciu). Ak je vody nedostatok fotolýza neprebehne, zatvárajú sa prieduchy, čím sa zamedzí aj prísun CO2, fotosyntéza tak neprebieha

5. teplota

všeobecne vhodná teplota je od 15-35 °C, pričom ihličnaté stromy uprednostňujú teplotu nižšiu, a to

15- 20 °C

 

Priebeh fotosyntézy možno rozdeliť na primárne a sekundárne procesy.

1. Primárne procesy

nazývajú sa tiež svetelná alebo fotochemická fáza, podstatou týchto procesov cyklická, necyklická fotofosforylácia a fotolýza vody. Všetky tieto deje sú vzájomne prepojené a uskutočňujú sa na fotosystémoch 1 a 2. Počas týchto procesov vzniká ATP ( adenozíntrifosfát )- slúži ako zdroj

energie, vo svojej molekule obsahuje ATP makroergickú väzbu, ktorá sa označuje vlnovkou a pri jej rozpade sa uvoľní energia s hodnotou 50 kJ.

Ako zdroj vodíka vzniká tiež koenzým NADPH z molekuly NADP+

NADP+ + H+ + 2e- → NADPH            (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát)-NADP+

 

Cyklická fotofosforylácia:

Fotosystém 1 obsahuje formy chlorofylu s absorpčným maximom 700 nm a aktívnu molekulu, ktorú označujeme P700. V dôsledku toho sa molekula chlorofylu excituje a emituje 2 elektróny, tie prechádzajú na vyššiu energetickú hladinu, cez rad prenášačov- cytochrómy, sú tieto e- transportované späť do chlorofylu (teda molekuly P700). Toto opakované (cyklické)  uvoľňovanie e- sa využíva na uvoľnenie energie, ktorá sa ukladá do chemickej väzby v molekule ATP.

Necyklická fotofosforylácia:

Na fotosystém 1 dopadnú 2 fotóny (svetelné kvantá), ktoré spôsobia emitovanie 2 e-, tieto e- po odovzdaní energie  doplnia chýbajúce e-  vo fotosystéme 1

Elektróny z fotosystému 2 sú prenášané na akceptor NADP a vznikne redukovaná forma NADPH

vo fotosystéme 2 je potrebné doplniť e- z iného zdroja, ním je fotolýza H2O, nazývaná aj Hillova reakcia- v nej sa voda rozkladá na protóny, elektróny a kyslík:

H2O → 2 e- + 2 H+ + ½ O

e- doplnia fotosystém 2, protóny sa naviažu na akceptor NADPH a kyslík sa uvoľňuje do vzduchu.

 

2. Sekundárne procesy

Táto časť fotosyntézy sa označuje aj jako tmavá (pretože nevyžaduje prítomnosť svetla) , syntetická fáza alebo fixácia CO2.

Prebieha séria enzymatických reakcií, pri ktorých  dochádza ku fixácii CO2 na organický akceptor a jeho postupná zmena na glukózu.

Tmavá fáza môže prebiehať 2 spôsobmi, podľa typu rastliny:

a) RuBP- ribulóza- 1,5-bisfosfát je substrát, na ktorý sa fixuje CO2 pri dvojklíčnolistových rastlinách, vzniká zlúčenina , ktorej kostru tvorí 6 atómov uhlíka (6C), potom sa rozpadá na 3 C zlúčeniny.

Z nich 1/6 dáva základ glukóze C6H12O6 a 5/6 sa podieľa na obnove substrátu. Tieto rastliny nazývame C 3 rastliny a dej označujeme jako Calvinov- Bensonov cyklus. (za tento objav bola v roku 1961 udelená Nobelova cena).

b) Fosfoenolpyruvát- substát pre jednoklíčnolistové rastliny (väčšinou trávy). Vzniká opäť zlúčenina s kostrou zo 6 C, ale rozpadá sa na 4-uhlíkatú zlúčeninu  → preto C 4 rastliny

Dej sa nazýva Hatchov-Slackov cyklus.