CHEMOSYNTEZA

Różni się od fotosyntezy pierwotnym źródłem energii.

Chemosynteza nie liczy się jako producent materii organicznej, ale odgrywa ważną funkcje ekologiczną, ponieważ utlenia toksyczne gazy.

Zdolność do chemosyntezy mają wyłącznie niektóre bakterie należą do nich:

Bakterie nitryfikacyjne

   ·         Nitrosomonas – utleniają amoniak do azotynów

2NH₃ + 3O₂-->2HNO₂ + 2H₂O + 663,6kJ (- 158kcal) – jest to tzw. nitryfikacja  częściowa

    ·         Nitrobacter – utleniają kwas azotawy i azotyny do kwasu azotowego i azotanów.

2HNO₂ + O₂--> 2 HNO₃ + 151,2kJ (-36kcal) – jest to tzw. nitryfikacja całkowita

Bakterie siatkowe

    ·         Utleniają siarkowodór do siarki albo

2H₂S + O₂ --> 2H₂O + 2S + 273kJ(-65kcal)

    ·         Siarkę do kwasu siarkowego i siarczanów

2S + 2H₂O + 3O₂--> 2H₂SO₄ + 1192,8kJ (-289kcal)

Bakterie wodorowe – utleniają wodór do wody

2H₂ +O₂ --> 2H₂O + 478,8kJ (-114kcal)

Bakterie tlenkowęglowe – utleniają czad do Co₂

2CO + O₂-->2CO₂ +ATP

Bakterie żelazowe- utleniają żelazo z II wartościowego do III wartościowego

2Fe (HCO₃)₂ +1/2O₂ +H₂O --> 2Fe(OH)₃ + 4CO₂ + 168kJ(- 40kcal)

Bakterie metanowe – utleniają metan do CO­₂ i H₂O

CH₄ + 2O₂  --> CO­₂ + H₂O + 445,2kJ (-106kcal)

FOTOSYNTEZA

6CO₂ +H₂O + energia świetlna + enzymy-->C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Warunki fotosyntezy to wszystkie czynniki które wpływają na jej efektywność i dzielimy je na:

WARUNKI ZEWNĘTRZNE(EGZOGENNE)- niezależne od samej rośliny

    1.       Woda – jest niezbędnym czynnikiem, bo jest substratem tego procesu. Potrzebna jest również, ponieważ woda aktywuje enzymy; duża ilość wody jest warunkiem wysokiego turgoru komórek szparkowych, a szparki otwierają się gdy turgor, czyli uwodnienie jest wysokie.   

    2.       Dwutlenek węgla – jest niezbędnym czynnikiem, bo jest substratem. W czystym powietrzu jest go 0,03% - 0,04%. Wzrost ilości CO₂ wpływa dodatnio na fotosyntezę, przy czym można to robić sztucznie, mówimy o nawożeniu CO­_2. Maksymalna ilość CO­₂ w powietrzu wdychanym to 0,1%.

    3.       Temperatura – optymalna temperatura dla fotosyntezy to 20 – 35 st. C. bardzo wysokie temperatury fotosyntezie nie sprzyjają. W komórkach roślinnych obok fotosyntezy zachodzi również oddychanie. Oddychanie ma optimum temperaturowe trochę wyższe. Sinice żyją w gorących źródłach w temperaturze 80 st. C i prowadzą fotosyntezę. U roślin iglastych i zbóż ozimych (wszystkie z wyjątkiem owsa) fotosynteza zachodzi poniżej 0 st. C.

    4.       Światło – rośliny wykorzystują każdy rodzaj światła (zarówno światło słoneczne jak i sztuczne). Z całej ilości światła która pada na liść wykorzystują tylko 0,5 – 5%, a reszta to energia odbita od blaszki i zamieniona na ciepło oraz energia przepuszczona przez liść.

Rośliny ze względu na zapotrzebowanie światła dzielimy na:

    ·         Światłolubne – wraz ze wzrostem natężenia światła rośnie intensywność fotosyntezy np. drzewa, zboża

    ·         Cieniolubne – wraz ze wzrostem światła rośnie intensywność fotosyntezy ale do pewnej granicy na której się utrzymuje np. mchy, paprocie

Światło decyduje o rozmieszczeniu chloroplastów w komórkach miękiszu asymilacyjnego.

    ·         Rozmieszczenie chloroplastów przy małej ilości światła. Chloroplasty ustawiają się prostopadle do promieni w związku z czym jeden drugiemu nie przysłania światła.

    ·         Rozmieszczenie chloroplastów przy dużej ilości światła. Jeden drugiemu przysłania dopływ światła, by go ograniczyć.

    ·         Rozmieszczenie chloroplastów przy średnim natężeniu światła. W ciemnościach i przy średnim natężeniu światła chloroplasty są rozproszone.

Im kąt padania światła jest ostrzejszy tym intensywność fotosyntezy mniejsza.

    5.       Związki mineralne

    ·         Magnez – magnez wchodzi w skład cząsteczek chlorofilu

    ·         Azot – jest konieczny w podłożu do syntezy białek, kwasów nukleinowych, a także chlorofilu.

    ·         Kationy żelaza – żelazo jest katalizatorem syntezy chlorofilu.

WARUNKI WEWNĘTRZNE (ENDOGENNE) – zależne od rośliny

    1.       Powierzchnia liścia – im powierzchnia większa tym lepsza dla fotosyntezy. Szybciej rosną rośliny liściaste.

    2.       Struktura liścia – fotosyntezie sprzyja luźna struktura liścia, czyli wytworzenie miękiszu gąbczastego od dolnej strony blaszki liściowej ułatwia wymianę gazową, bo musi wejść CO₂, a wyjść O₂.

    3.       Ilość chloroplastów – u roślin dwuliściennych w miękiszu gąbczastym i palisadowym jest 40- 80 chloroplastów w komórce.

    4.       Ilość chlorofilu

    5.       Liczba i rozmieszczenie aparatów szparkowych

FAZA JASNA FOTOSYNTEZY:

Fotosystemy – zespoły barwników asymilacyjnych do których nalezą chlorofile a i b, karoten i ksantofil.

Fotosystemy znajdują się w granach chloroplastów:

    ·         Fotosystem PS I (P700) -700nm –pochłania promienie o długości fali 700nm.

    ·         Fotosystem PS II (P680)- 680nm- pochłania promienie o długości fali 680nm.

Chlorofil a – zimna zieleń

Chlorofil b – ciepła zieleń

Różnica w barwie mówi jaki rodzaj promieni odbija, a jaki pochłania. Chlorofil jest zielony to znaczy, że odbija promienie zielone, a inne pochłania. Karotenoidy odbijają promienie pomarańczowe, a pochłaniają zielone i część niebieskich.

Przebieg fazy jasnej:

Kwanty, czyli fotony światła padają na fotosystem PS II i wybijają elektron z cząsteczki chlorofilu. Jest to reakcja masowa, liczne fotony wybijają liczne elektrony z licznych cząsteczek chlorofilu. Po wybitej cząsteczce powstaje luka elektronowa i chlorofil staje się silnym elektrono biorcą, bo dąży do uzupełnienia luki. Odciąga elektron z cząsteczki wody. Odciąganie elektronu z wody powoduje jej fotolizę, czyli fotodysocjację.

Przebieg fotolizy wody:

1) H₂O --> H⁺ + OH^-

2) 2OH^- --> H₂O₂

3) H₂O₂ -->H₂O + ½ O₂

Fotolizie ulega wiele cząsteczek wody. Tlen uwalniany do atmosfery to pierwszy produkt uboczny fotosyntezy, dla procesu nieważny. Tlen w cukrach w końcowych produktach pochodzi z CO₂, a ten z wody idzie do atmosfery. Tę część tlenu której roślina nie zużywa do oddychania uwalnia przez aparaty szparkowe.

Chlorofil uzupełnił lukę elektronową. Elektron wybity z chlorofilu przechodzi na system przenośników z których każdy ma wyższy potencjał oksydoredukcyjny. Przenośnikami tymi są: plastochinon, cytochrom b, cytochrom f (cytochromy zawierają Fe), plastocyjanina (zawiera Cu). Z plastocyjaniny elektron trafia do fotosystemu PS I z którego również fotony światła wybiły elektron.

Elektron wędrując po przenośnikach oksydoredukcyjnych uwalnia energię, energie magazynują wysokoenergetyczne wiązania ATP (ADP + energia àATP). Ma miejsce fosforylacja. Fosforylacja ta jest niecykliczna, bo energia została uwolniona w efekcie niecyklicznej wędrówki elektronów (niecyklicznej, bo elektron nigdy nie wraca na swoje miejsce).

Elektron z PS I przechodzi na ferrodoksyne i razem z kationem wodorowym z wody redukują NADP⁺                     

NADP⁺ + H⁺  -->e--> NADPH (NADPH + H⁺ lub NADPH₂)

H₂O -->e--> PS II -->e-->PS I -->e-->NADPH

U roślin w warunkach niekorzystnych np. najczęściej niedobór wody, zachodzi fosforylacja cykliczna, czyli elektron wróci na swoje pierwotne miejsce. Fosforylacja ta związana jest tylko z fotosystemem PS I. Z fotosystemu PS I wybijany jest elektron, przechodzi na ferrodoksyne, a następnie na te same przenośniki co w fosforylacji niecyklicznej: plastochinon -->cytochrom b --> cytochrom f --> plastocyjanina i wraca na swoje miejsce do chlorofilu PS I. W procesie tym nie bierze udziału woda. Nie ma fotolizy wody i nie uwalnia się tlen, nie ma redukcji NADP⁺, bo nie ma kationów wodorowych. Jedynie elektron wytraca energię – powstaje więc ATP.

Nastąpiła zamiana energii świetlnej na chemiczną. Na końcu fazy jasnej mamy ATP i NADPH które razem tworzą siłę asymilacyjną niezbędną do zajścia fazy ciemnej.

FAZA CIEMNA FOTOSYNTEZY:

Nie wymaga obecności światła. Zachodzi w stromie chloroplastu, bo tam znajdują się enzymy kierujące tym procesem. W etapie II zużywana jest energia z etapu I.

Etap II to proces cykliczny i nosi nazwę cykl Calvina i jest to właściwa synteza związków organicznych.

Cykl – końcowy produkt jest substratem kolejnego jego obiegu.

Przebieg fazy ciemnej (cykl Calvina):

Składa się z 3 etapów: karboksylacji, redukcji i regeneracji

Karboksylacja – oznacza przyłączanie atmosferycznego CO₂ do jego akceptora. Akceptorem CO₂ jest RuBP (RuDP) (rybulozo 1,5 difosforan) – jest to związek 5 węglowy:

6C₅ + 6 C₁ --> 6 C₆ + H₂O -->12 C₃

6 RuDP + 6 CO₂ --> 6 heksoz + H₂O --> PGA

Powstaje heksoza przy czym w 1 obiegu przyłącza się 6 cząsteczek CO­₂. Heksozy pod wpływem wody rozpadają się na PGA (3-fosfoglicerynian) (kwas fosfoglicerynowy) – pierwszy trwały produkt karboksylacji.

Rośliny C₃ – pierwszy trwały produkt karboksylacji jest związkiem 3 węglowym.

Redukcja – 12PGA redukuje się do 12PGAL (aldehyd3fosfoglicerynowy). Redukcja zużywa 12 cząsteczek ATP i przechodzi w 12 ADP i 12NADPH przechodzi do 12NADP⁺ - ma miejsce hydroliza, czyli defosforylacja. Siła asymilacyjna zużywana jest głównie do redukcji. ADP i NADP⁺ wracają do gran, gdzie uczestniczą w fazie I.

1/6 czyli 2 cząsteczki PGAL wychodzą z cyklu, a do 3 etapu przechodzi 10 cząsteczek C_3. Dwie cząsteczki które wychodzą to pierwotny produkt fotosyntezy i zostanie przetworzony w inne związki organiczne które będą produktami wtórnymi.

Regeneracja – odtwarzanie akceptora dwutlenku węgla, czyli RuBP, jest procesem kilku przemian w wyniku których cukry przemieniają się w inne cukry.

PIERWOTNE I WTÓRNE PRODUKTY FOTOSYNTEZY

Aldehyd3fosfoglicerynowy, który jest pierwotnym produktem fotosyntezy w komórkach roślin jest przetwarzany w produkty wtórne. Z cukrów prostych powstają coraz bardziej złożone, czyli 2 triozy łączą się w heksozy następnie w polisacharydy. Z cukrów powstają kwasy tłuszczowe, a te dają początek tłuszczom. Z cukrów tworzone są ketokwasy które ulegają aminacji i powstają aminokwasy, a z nich białka.

Rośliny C₄ – kukurydza, trzcina cukrowa, sorgo, bambus, portulaka (roślina ozdobna). Rosną szybciej od roślin C₃.

Pierwszym produktem C₄ karboksylacji jest związek 4 węglowy. Posiadają 2 akceptory CO₂: PEP (fosfoenolopirogronian ) i RuBP (rybulozo 1,5 difosforan).

C₃ + C₁--> C₄ – kwas szczawiooctanowy (szczawiooctan)

Szczawiooctan redukowany jest do jabłczanu i w tej postaci przechowywany jest w wakuoli.

Drugi akceptor to RuBP – jest mu obojętne źródło dwutlenku węgla. Może to być CO₂ atmosferyczny lub pochodzący z rozkładu jabłczanu.

2 etap fotosyntezy u roślin C₄ przebiega jak cykl Calvina i ostatecznym produktem jest aldehyd3fosfogliceynowy.

Rośliny C₄ mając 2 akceptory CO₂ mają 2 źródła CO₂: odłączający się z jabłczanu oraz atmosferyczny.

Rośliny C₄ są to rośliny tropikalne, rosną w warunkach wysokich temperatur i niedostatku wody. Bardzo często w warunkach suszy musza zamykać aparaty szparkowe, by chronić się przed nadmierną utratą wody. Szparki zamykają zwykle w czasie dnia i nie zdobywają wtedy CO_2. Nocą szparki się otwierają i wyłapują CO₂ z powietrza i wiążą go w szczawiooctan i redukują do jabłczanu. CO₂ zamknięty w jabłczanie przechowują w wakuolach do rana. Gdy przychodzi dzień zamykają szparki, ale tworzą siłę asymilacyjną, a źródłem CO₂ jest jabłczan. Jabłczan, gdy oddaje CO₂ powstaje pirogronian, a następnie fosfoenolopirogronian.

Przystosowania ewolucyjne roślin C₄:

Posiadają one układ wieńcowy zbudowany z 2 koncentrycznych warstw miękiszu asymilacyjnego otaczającego wiązki przewodzące w liściach.

   ·         Pochwa wokółwiązkowa (warstwa wewnętrzna) – komórki mają chloroplasty pozbawione gran, ale z licznymi enzymami cyklu Calvina

   ·         Mezofil (warstwa zewnętrzna) – komórki mają chloroplasty z licznymi granami, a ponadto unikalny zestaw enzymów. 

WITAMINY

Witaminy – związki chemiczne z różnych grup konieczne do prawidłowego metabolizmu w ilościach niewielkich i takie których organizm nie potrafi sam syntetyzować (egzogenne).

Konieczne do właściwego metabolizmu, bo wchodzą w skład enzymów, są grupami prostetycznymi lub koenzymami.

Są potrzebne w ilościach niewielkich, dobowe zapotrzebowanie mierzymy w mg

Najmniejsze zapotrzebowanie – Wit. D - 0,02 mg/d

Największe zapotrzebowanie – Wit. C – 70 -100 mg/d

Witamina jest pojęciem względnym, bo to co jest witaminą dla jednego nie musi być witaminą dla drugiego organizmu np. Wit. C dla człowieka, świnki morskiej, a dla szczura nie jest to witamina, bo potrafią same ją syntetyzować.

Wyjątki:

Wit. A – nie występuje w postaci gotowej, a występuje w postaci prowitaminy – karoten. W komórkach wątroby i błonie śluzowej jelita karoten przekształcany jest w witaminę A.

Wit. D – może być tworzona w organizmie z pochodnej cholesterolu która nazywa się ergosterol. Powstaje w dolnych partiach naskórka. Warunkiem jej powstawania jest obecność promieni UV, dlatego niezbędne jest przebywanie na świerzym powietrzu. 

Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach:
Witaminy	Rola w organizmie	Źródła	Skurki niedoboru (awitaminozy)
Witamina A (retinol, akseroftol) (2mg)	Jedną z funkcji biochemicznych jest współtworzenie rodopsyny- substancji niezbędnej do utrzymania pobudliwości komórek zmysłowych siatkówki oka. Organizm człowieka potrafi produkować witaminę A z karotenoidów.	Wątroba, jaja, masło, mleko, tran, warzywa i jarzyny zawierające karotenoidy (marchew, pomidory)	·         Ślepota zmierzchowa (kurza ślepota)      ·         Zanikanie nabłonków i łuszczenie się skóry      ·         Nadmiar jest szkodliwy, prowadzi do zmian zabarwienia skóry, wypadania włosów
Witamina D (kalcyferol) (0,02mg)	Wpływa na gospodarkę wapniową (wzmaga wchłanianie wapnia w jelitach). Jest niezbędna do normalnego wzrostu kośćca.	Wątroba, mleko pełne, jaja, drożdże, masło, tran	·         U dzieci krzywica (deformacja kości)      ·         U dorosłych rozmiękczenie kości, może powodować osteoporozę
Witamina E (tokoferol) (20mg)	Jej podstawową funkcją jest prawdopodobnie hamowanie utleniania lipidów ustrojowych (głównie z błon komórkowych) i witaminy A.	Oleje roślinne (sojowy, słonecznikowy), orzechy, kiełki pszenicy, wątroba, jaja	·         Osłabienie mięśni      ·         Obniżenie płodności
Witamina K (filochinon) (1mg)	Ważna w krzepnięciu krwi (w komórkach wątroby niezbędna do wytwarzania protrombiny – białkowego czynnika uczestniczącego w krzepnięciu krwi).	Jarzyny (zwłaszcza kapusta i kalafior), wątroba, olej sojowy, bakterie flory jelitowe	·         Wydłużenie czasu krzepnięcia krwi      ·         Podatność na krwotoki

Witaminy rozpuszczalne w wodzie:
Witaminy	Rola w organizmie	Źródła	Skurki niedoboru (awitaminozy)
Witamina B1 (tiamina, aneuryna) (1,5mg)	Jest elementem enzymów utleniających węglowodany oraz aminokwasy.	Wątroba, mięso, drożdże, nieoczyszczone ziarna zbóż	·         Choroba beri- beri (bóle rak i nóg, drżenie i osłabienie mięśni, niewydolność układu krążenia)
Witamina PP (niacyna, kwas nikotynowy) (20mg)	Jest elementem ważnych koenzymów: NAD+ i NADP+ współtworzących niektóre enzymy przeprowadzające reakcje utleniania lub redukcji w komórkach.	Wątroba, sery, jaja, pełne mleko, niektóre warzywa	·         Niedobór jest rzadko stwierdzany      ·         Uczucie zmęczenia, depresje i zaburzenia pamięci
Witamina B2 (ryboflawina) (1,7mg)	Spełnia rolę podobną do witaminy PP – jest składnikiem koenzymu FAD enzymu utleniającego związki organiczne w komórkach.	Wątroba, sery, jaja, pełne mleko, niektóre warzywa	·         Zapalenie skóry i pękanie kącików ust      ·         Przy znacznych niedoborach- obniżenie sprawności umysłowej
Witamina B6 (pirydoksyna) (2mg)	Jej pochodna jest koenzymem enzymów przetwarzających aminokwasy.	Wątroba, mięso, jaja, warzywa, banany, rośliny strączkowe	·         Niedobór jest rzadko stwierdzany      ·         Stany zapalne skóry, nadmierna pobudliwość
Witamina B11 (kwas foliowy)  (0,3-0,4mg)­	Współtworzy niebiałkowy składnik enzymów niezbędnych w biosyntezie nukleotydów wchodzących w skład DNA.	Bakterie floty jelitowej, nieoczyszczone ziarna zbóż, drożdże, jarzyny liściaste	·         Zakłócenie procesu krwiotwórczego, prowadzącego do anemii      ·         Niedobór u kobiet w ciąży zwiększa ryzyko wad cewy nerwowej płodu
Witamina B12 (kobalamina, gdyż zawiera kobalt) (5mg)	Współtworzy niebiałkowy składnik między innymi enzymów przetwarzających zasady azotowe (wpływa więc pośrednio no syntezę kwasów nukleinowych)	Bakterie flory jelitowej, wątroba, jaja	·         Anemia złośliwa na skutek zahamowania produkcji krwinek czerwonych
Witamina C (kwas askorbinowy) (70-100mg)	Bardzo ważna witamina o rozległym działaniu. Między innymi niezbędna jest w syntezie kolagenu, tworzeniu istoty podstawowej kości i zębów, a także we wchłanianiu żelaza i wzmacnianiu mechanizmów odpornościowych. Witamina C szybko ulega rozłożeniu w wysokich temperaturach (w potrawach smażonych i gotowanych).	Świeże owoce (cytrusowe, truskawki, czarna porzeczka, aronia, pomidor)	·         Niewielki deficyt obniża odporność na przeziębienia      ·         Choroba szkorbut (krwawienie dziąseł, wypadanie zębów, obniżona odporność, nieprawidłowe zrastanie się kości, powolne gojenie się ran)
Witamina H (biotyna)	Wpływa na właściwy stan skóry i włosów, chroni przed łojotokiem, zapaleniem skóry i wypadaniem włosów	Ziemniaki, marchew, wątroba, jaja ptaków, drożdże, mięso	·         Zmiany skórne, wypadanie włosów, zatrzymanie wzrostu
Kwas pantotenowy	Wpływa na przemiany węglowodanów i tłuszczów, składnik koenzymu A	Powszechnie w pokarmach roślinnych i zwierzęcych	·         Zaburzenia żołądkowo – jelitowe, uszkodzenie nadnerczy

Wit. B₁ – pierwsza odkryta Witamina, wynalazł ją polak Kazimierz Funk – wprowadził pojęcie witamina, a vita – życie, czyli witaminy warunkują życie. 

Awitaminoza – stany chorobowe spowodowane całkowitym brakiem witaminy np. choroba beri – beri, przy niedoborze Wit. B_1, brak Wit. B₁₂ – anemia złośliwa, brak Wit. A – kurza ślepota.

Hipowitaminoza – stany chorobowe spowodowane niedoborem witamin, kiedy niedobór jest krótkotrwały.

Hiperwitaminoza – stany chorobowe spowodowane nadmiarem witamin. Odnosi się tylko do rozpuszczalnych w tłuszczach, bo nadmiar witamin rozpuszczalnych w wodzie spływa z moczem.

Hiperwitaminozy mają zwykle efekt zewnętrzny podobny do awitaminozy.

Nie stwierdzono, by witaminy przyswajane w codziennej diecie spowodowały nadmiar.