A fotoszintézis

Beszéljünk az egyik legfontosabb biológiai folyamatról. Ha ez a folyamat nem lenne, akkor nemigen létezne élet a Földön, és nem készíthetném el ezt a videót, mert nem tudnék honnan élelmet szerezni. Ez a folyamat a fotoszintézis. Valószínűleg hallottál már róla a növények, baktériumok és algák kapcsán, de általában a növényekhez társítjuk. Hadd mondjam egyszerűbben. Tehát a növényekhez társítjuk. Ez egy növényi folyamat, amelyről kiskorunkban tanulhattunk. Olyan folyamat, amelynek során a növények szén-dioxidot és vizet vesznek fel, hogy ezt némi napfény segítségével (ezt sárgával írom) cukrokká vagy más szénhidrátokká alakítsák. A szénhidrátok, azaz a cukrok mellett oxigén is keletkezik. Ez két szempontból is alapvetően fontos a saját fajunk számára. Egyrészt, mert szénhidrátok, azaz cukrok kellenek a testünk energiaellátásához. Ezt láttuk a sejtlégzésről készült videókban. Minden ATP-t a sejtlégzés során állítunk elő glükózból, ami a szénhidrátok lebontásából származik. Ez a sejtlégzés legkönnyeben felhasználható alapanyaga. Másrészt, mert ezáltal jutunk oxigénhez, hiszen oxigént kell belélegeznünk, hogy lebontsuk a glükózt a sejtlégzés során. Ez a két tényező létfontosságú, főleg az oxigént belélegző életformák számára. Már az is érdekes, hogy léteznek olyan élőlények, többnyire növények, amelyek képesek megkötni a napfényt. A Napban zajló fúziós reakciók 93 millió mérföldre innen fotonokat bocsátanak ki. A fotonok egy kis hányada eljut a Föld felszínéig felhőkön át, keresztül mindenen. A növények, a baktériumok és az algák ezt hasznosítva képesek cukrokat előállítani. Ezt esszük mi, vagy a tehén, mi meg a tehenet, (már aki nem vegetáriánus), és ebből nyerünk energiát. A tehén persze nem pusztán szénhidrát, de ez a legfőbb energiaforrás az összes tápanyagunk közül. Ebből van az összes üzemanyagunk. Tehát ez az állatok üzemanyaga. Krumplit fogyasztva akár közvetlenül is hozzájuthatunk a szénhidrátokhoz. Ez tehát a fotoszintézis elnagyolt, de helytálló összefoglalása. Ha mást nem is, ennyit kellene tudnod a fotoszintézisről. De ássunk kicsit mélyebbre, lássuk, hogy leírható-e mindez egy kicsit pontosabban. Szerintem lenyűgöző, hogy a napfény fotonjaival cukormolekulák, szénhidrátok állíthatók elő. Tehát ássunk egy kicsit mélyebbre. Felírhatjuk a fotoszintézis általános egyenletét. Már majdnem fel is írtam, de megpróbálom egy kicsit tudományosabban. Induljunk ki a szén-dioxidból. Adjunk hozzá vizet, valamint napfényt, jobban mondva fotonokat, hiszen ezek gerjesztik az elektronokat, amelyeket a klorofill továbbít. Mindez részletesen benne lesz a következő videókban. A gerjesztett elektron először magasabb, majd alacsonyabb energiaszintre kerül, az energiakülönbség pedig ATP szintézisére fordítható, emellett NADPH is keletkezik, és így jönnek létre a szénhidrátok, ahogyan mindjárt látni fogjuk. A fotoszintézis ezekből az összetevőkből indul ki, és végül szénhidrát keletkezik: glükóz vagy valami más. A szénhidrátok általános képlete CH₂O, a végére egy n betűt írunk, vagyis ez a rész n-szer ismétlődhet. Az n értéke rendszerint legalább 3. A glükóz esetében n=6, azaz 6 szén-, 12 hidrogén- és 6 oxigénatomból áll. Ez a szénhidrátok általános képlete, de többször is ismétlődhet, így hosszú láncú szénhidrátok keletkeznek. Végül tehát szénhidrát és némi oxigén keletkezik. Eddig az egyenlet alig több, mint a fenti összesítés a fotoszintézis folyamatáról. Az egyenlet rendezéséhez n darab szénatom szükséges mindkét oldalon, 2n darab hidrogénatom van a jobb oldalon, így n-et írok balra. Lássuk az oxigénatomokat. Bal oldalon van 2n+n, azaz 3n oxigén, ebből lesz n+2n oxigén, ezzel rendeztük az egyenletet. Madártávlatból ennyi a fotoszintézis. Közelebbről már látható, hogy ez nem egycsapásra történik, hanem egy sor lépésen keresztül jutunk el a szénhidrátok keletkezéséig. A fotoszintézis tehát felosztható... (ideírom még egyszer a szót) – később majd elmélyedünk a részletekben, de előbb áttekintjük az egészet – két szakaszra osztható fel. Az első a fényszakasz, más néven a fénytől függő szakasz. Valójában ez a helyesebb név. Ide is írom: fénytől függő, azaz fény szükséges ahhoz, hogy végbemenjen. A második az úgynevezett sötétszakasz. Ez az elnevezés valójában félrevezető, mivel világosban is végbemegy. Tehát sötétszakasznak hívják (ezt sötétebb színnel írom), de a név félrevezető, mivel világosban is végbemegy. Valószínűleg azért hívják sötétszakasznak, mert nem kell hozzá fény. Ez a szakasz a fotonoktól függetlenül is végbemegy. Ezért helyesebb volna fénytől független szakasznak nevezni. Tehát még egyszer: a fényszakasz csak fényben, fotonok hatására megy végbe. A sötétszakaszhoz nem szükségesek fotonok, habár napfényben is működik. Nem kellenek hozzá fotonok, a fényszakasz termékei viszont igen. Ezért hívják fénytől független szakasznak. Napfényben is végbemegy, de nincs szükség hozzá napfényre. Ehhez a szakaszhoz tehát kell a napfény, kellenek hozzá fotonok, és.... (Röviden vázolom a lényeget, hogy aztán legyen mit részletezni.) A fényszakaszhoz tehát szükség van fotonokra és vízre. A fényszakaszba víz lép be, és molekuláris oxigén lép ki belőle. Ez tehát a fényszakasz, amit később alaposan fogok részletezni. A fényszakasz egyik terméke az ATP, ami a sejt biológiai energiavalutája. Az egyik termék tehát az ATP, a másik pedig a NADPH. A sejtlégzés során találkoztunk a NADH molekulával. A NADPH nagyon hasonlít ehhez, csak ez a P betű a különbség, vagyis ez a foszfátcsoport, de a működésük nagyon hasonló. Ez a molekula le tudja adni a hidrogénjét, és a hozzá tartozó elektront. Amikor egy részecske elektront ad át egy másik részecskének, akkor a másik részecske redukálódik. Van erre egy jó emlékeztető: az OIL RIG (olajfúró torony). Az oxidáció = elektronleadás (Oxidation Is Losing), a redukció = elektronfelvétel (Reduction Is Gaining). A (pozitív) töltést csökkenti a felvett elektron, hiszen negatív a töltése. Ez tehát redukálószer. Oxidációja során lead egy hidrogént és a hozzá tartozó elektront. Külön foglalkozunk majd az oxidáció biológiai illetve kémiai értelmezésével, de a lényeg ugyanaz. A hidrogén elvesztése során elvész a hidrogénhez tartozó elektron is. Ez a molekula tehát a reakciókban redukálószer. Leadja a hidrogént és a hozzá tartozó elektront, így a reakciópartnere redukálódik. Ez az molekula tehát redukálószer, és ebben az a hasznos, hogy amikor ez a hidrogén, illetve a hozzá tartozó elektron a NADPH-ról átkerül egy másik molekulára, és alacsonyabb energiaszintre kerül, akkor a felszabaduló energia szintén felhasználható a sötétszakaszban. A sejtlégzés során nagyon hasonló szerepben láttuk a NADH molekulát, amely a citromsavciklus során illetve még inkább a terminális oxidáció során hozzájárult az ATP képződéséhez, amikor leadta az elektronjait, amik alacsonyabb energiaszintekre jutottak. De nem akarom túlbonyolítani. A fényszakaszba tehát foton és víz lép be, oxigén, illetve ATP és NADPH lépnek ki, amelyek a sötétszakaszban hasznosulnak. A sötétszakasz a legtöbb növény esetében a Calvin-ciklust jelenti. Majd bővebben részletezem, hogy mi történik a Calvin-ciklusban, de oda lép majd be az ATP és a NADPH, és ott keletkezik a... nem közvetlenül glükóz keletkezik, hanem valami más, amit már ismersz. A neve PGAL vagy 3GP mindkettő azt jelenti, hogy foszfoglicerinaldehid, (ezt elég csúnyán írtam) más néven glicerinaldehid-3-foszfát. Ez egy és ugyanaz a molekula, amely nagyjából így néz ki, nagyon erősen leegyszerűsítve: egy háromtagú szénlánc, amihez egy foszfátcsoport kapcsolódik, de további szénhidrátok keletkezhetnek belőle, például glükóz. Két ilyen molekulából glükóz jöhet létre. Tekintsük át még egyszer röviden. Ez rendkívül fontos. A fényszakaszról és a sötétszakaszról szól majd a következő két videó. A fotoszintézis tehát a fotonokkal kezdődik. Mindez nappal történik, de csak a fényszakaszhoz kellenek fotonok. A fényszakaszba belépnek a fotonok (majd megbeszéljük, hogy mi történik), belép a víz, oxigén keletkezik, ATP és NAPDH keletkezik, amik majd belépnek a sötétszakaszba, más néven a Calvin-ciklusba, azaz a fényt nem igénylő szakaszba, ami nappal is működik, csak nem kell hozzá foton. Ez tehát a fényt nem igénylő szakasz. Ezek mellett szintén a sötétszakaszba lép be a... Kifelejtettem egy nagyon fontos molekulát a sötétszakaszból, ide lép be a szén-dioxid is. Ebből származnak a szénatomok, amiből a glicerinaldehid-3-foszfát molekulák keletkeznek. Ez nagyon lényeges. Ide lép be a szén-dioxid, és a fényszakaszban képződött termékek, és a Calvin-ciklusban létrehozzák ezt az egyszerű alkotóelemet, amiből más szénhidrátok épülnek fel. Emlékezhetsz rá a glikolízisből. Ez a PGAL (más néven 3GP) volt az első terméke a glükóz széthasításának a glikolízis során. Most visszafelé haladunk. Felépítjük a glükózt, hogy majd a felhasadása során energiához jussunk. Ezzel áttekintettük a fotoszintézist. A következő videókban kissé részletesebben tárgyaljuk a fényszakasz és a sötétszakasz eseményeit.