Fotosüntees, Aine-ja Energiavahetus, Glükoosi lagundamine (1)

FOTOSÜNTEES

• Fotosüntees on taimedes ja fotosünteesivates bakterites toimuv protsess, mille käigus valgusenergia muudetakse orgaaniliste ühendite keemiliseks energiaks.
  
• Taimede puhul seisneb fotosüntees süsihappegaasi- ja veemolekulide liitmises orgaanilise aine (glükoosi) molekuliks valguse poolt ergastatud klorofülli energia arvel:
  

6CO2 + 12H2O ® C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

• Fotosünteesi tähtsus:
  

- orgaanilise aine tootmine
- hapniku tootmine
- süsihappegaasi sidumine atmosfäärist

• Fotosünteesi kiirus sõltub:
  

- valguse intensiivsuses
- CO2 hulgast
- taime tüübist
- tuule tugevusest
- temperatuurist
- vee-ainevahetusest

• Fotosünteesi saagikuseks on ~6 grammi orgaanilist ainet 1m2 lehepinna kohta.
  
• Fotosünteesi käik: Fotosüntees toimub kloroplastides.Selles on kaks etappi : valgusstaadiumi ja pimedusstaadiumi. Valgusstaadiumis toimuvad reaktsioonid vajavad valgusenergiat , see ergastab klorofülli molekule ning ei saa toimuda pimedas . Pimedusstaadiumi reaktsioonid valgust ei vaja, need toimuvad pimedas ja valges.
  

• Fotosünteesi valgusstaadiumis: reaktsioonid algavad klorofülli ergastamisega. Valguskvandid löövad elektrone klorofülli koostisest teistele pigmentidele. Pigmente mööda liikudes ja järk-järgult neile oma energiat ära andes jõuavad elektronid algsesse kohta tagasi. Elektronide energia abil sünteesitakse ATP, sellega muudetakse valgusenergia keemilise sideme energiaks. Ergastatud klorofüllimolekulid teostavad vee fotooksüdatsiooni ja klorofüll saab tagasi puuduvad elektronid. Hapnikuaatomid liituvad molekulideks ja eraldatakse atmosfääri. Seega pärineb õhuhapnik veemolekulidest. Vesinikioonid seotakse NADP koosseisu, kus nad hiljem kohtuvad "ringi täis teinud" elektronidega. Nii on vee fotooksüdatsioonil tekkinud osakesed taas oma koha leidnud.
  
• Valgusstaadiumi tähtsamad protsessid on:
  - klorofülli ergastamine valguse poolt;
  

- veemolekulide lagundamine, hapniku eraldumine;
- ATP süntees elektronide energia arvel;
vesinikuaatomite (prootonid + elektronid) sidumine vaheühendiga, moodustub NADPH2

• Pimedusstaadiumis vajatakse valgusstaadiumis sünteesitud ATP molekule ning vaheühend NADPH2 koostisest vesinikuaatomeid.
  

Ergastamine - energia juurde andmine, siinkohal elektronidele.
NADP - nikotiin -amiid- adeniin -dinukleotiid- fosfaat .
Pigment - värvaine, klorofüll on rohelist värvi pigment.
Prooton - H+, vesinikioon .

• Glükoosi moodustavad aatomid pärinevad süsihappegaasist ja veest.
  
• Pimedusstaadiumi protsessid:
  - süsihappegaasi sidumine atmosfäärist;
  - glükoosi süntees;
  - vaheühendi (NADP) ja ATP algse seisundi taastumine (ADP)
  
• ADP - adenosiindifosfaat, aine, mille molekuli koostises on üks fosforhappejääk vähem kui ATP-l; ADP ja fosforhappejäägi liitumisel tekibki ATP, moodustunud side on väga energiarikas.
  

• Ühe glükoosimolekuli sünteesiks on tarvis 6 molekuli süsihappegaasi ning 12 molekuli vett. Et reaktsioonide käigus tekib taas 6 molekuli vett, esineb see võrrandi mõlemal pool. See tähendab, et reaktsioonide toimumiseks on vaja 12 veemolekuli osavõtt, kuid orgaanilise aine ja hapniku koostisosadeks kulub neid 6.
  
• Ühe glükoosimolekuli sünteesil eraldub 6 molekuli hapnikku, osaleb 12 NADP ning 18 ADP molekuli.
  

AINE-JA ENERGIAVAHETUS
ORGANISIMI VARUSTAMINE ENERGIAGA

• Metabolism
  

- Kõik organismid vajavad elutegevuseks energiat, mida saadakse orgaanilistest ainetest ( sahhariidid , lipiidid jt.).
- Energia saamise viisile jagatakse organismid autotroofideks ja heterotroofideks.
- Metabolismiks nim. kõiki organismis toimuvaid sünteesi-ja lagundamisprotsesse.
- Metabolismi moodustavad biokeemilised protsessid, millega organism on seotud ümbritseva keskkonnaga. Need protsessid võimaldavad kasvamist, uuenemist, säilimist, paljunemist jne.

• Organismi arengu käigus sünteesi- ja lagundamisprotsesside vahekord muutub: noortel on ülekaalus sünteesiprotsessid, keskeas on protsessid tasakaalus, eakatel ja haigetel on ülekaalus lagundamisprotsessid .
  

• Autotroof
  

- Organismid, kes sünteesivad elutegevuseks vajalikud orgaanilised ühendid väliskeskkonnast saadavatest anorgaanilistest ainetest.
- Taimed kasutavad sünteesiks valgusenergiat (fotosüntees).
- Kemosünteesijad kasutavad keemilist energiat.

• Heterotroof
  

- Organismid, kes sünteesivad oma elutegevuseks vajalikud orgaanilised ained toidus sisalduvate orgaaniliste ühendite lõhustumis-saadustest.
- Vajaliku energia saavad toidus sisalduva orgaanilise aine oksüdatsioonil.

• Miksotroof
  

Segaainevahetustüüp- vastavalt keskkonnatingimustele: valguse käes autotroofne või heterotroofne ainevahetustüüp. Näiteks: roheline silmviburlane.

• Assimilatsioon
  

- Organismis toimuvad sünteesiprotsessid.
- Selle käigus saadakse: sahhariide , lipiide , valke, nukleiinhappeid jne.
- Vaja on lähteaineid, ensüüme, täiendavat energiat
- Näiteks: fotosüntees, DNA süntees

• Dissimilatsioon
  

- Organismis toimuvad lagundamisprotsessid.
- Toiduga saadavad või organismis sünteesitud orgaanilised ühendid lõhutakse ensüümide abil lihtsama ehitusega molekulideks.
- Dissimilatsiooniprotsessides vabaneb energia orgaaniliste ühendite oksüdatsioonil.

• Orgaaniliste ainete dissimilatsioon
  

- Organismi esmane ja kiireim energiaallikas on sahhariidid.
- Järgnevalt kasutab organism rasvu.
- Viimasena valke, kuna valkudel on väga palju teisi tähtsaid ülesandeid organismis.

• ATP ehk adenosiintrifosfaat
  

- Universaalne energia talletaja ja ülekandja, mis osaleb kõigi rakkude metabolismis.
- Makroergiline ühend- aine, millesse salvestatud energiat saab kasutada biosünteesireaktsioonides.
- Koos fostaatrühma ülekandega salvastatakse 30 kJ energiat.
- ATP on nukleotiid , mis koosneb lämmastikalusest(adeniin), süsivesikust( riboos ), 3 fosfaatrühma.
- ATP moodustub glükolüüsil, fotosünteesil, hingamise käigus.

• Kõik organismid on avatud süsteemid, nad vahetavad keskkonnaga ainet, energiat ja infot.
  

GLÜKOOSI LAGUNDAMINE

• Glükoosi lagundamine
  

- Glükoos on peamine organismisisene energiallikas .
- Enamasti talletatakse glükoosivarud organismis polüsahhariididena, mis lagundatakse monomeerideks.
Tärklis (polüsahhariid) ® glükoos ( monosahhariid )
- Glükoosi lagundamine on dissimilatsiooniprotsess, mis on universaalne (toimub ühtemoodi loomades ja taimedes).
C6H12O6 ® 6CO2­ + 6H2O + energia

• Glükoosi lagundamise etapid
  

1.Glükolüüs - toimub päristuumse raku tsütoplasmavõrgustikul.
2. Tsitraaditsükkel - toimub mitokondri sisemuses.
3. Hingamisahela reaktsioonid - toimuvad mitokondri harjakeste membraanidel.

• Glükolüüs jaguneb
  

- Aeroobne glükolüüs: hapnikku on piisavalt
- Anaeroobne glükolüüs: hapnikku ei ole piisavalt; moodustub etanool või piimhape

• Aeroobne glükolüüs
  

- Erinevate ensüümide toimel toimub 10 erinevat üksteisele järgnevat reaktsiooni, mille tulemusena tekib 2 püroviinamarihappe molekuli ning 4 vesiniku aatomit.
Glükoos®2 püroviinamarihape (CH3COCOOH) + 4H
- Eraldunud vesinikuaatomid seostuvad vesinikukandjaga NAD (võimaldab vesinikuaatomeid hiljem kasutada).
2 NAD + 4 H « 2 NADH2

• NAD molekul – nikotiinamiid adeniin dinukleotiid
  

• Piimhappekäärimine
  

- Toimub lihaskoe rakkudes piimhappebakterite elutegevuse käigus. Vesinikku ei eraldu.(Treenimata lihastes põhjustab valu, väsimust ja krampe).
- Lihastes moodustunud piimhape kandub verega maksa ja lagundatakse seal püroviinamarihappeks, mis liigub edasi tsitraaditsüklisse.(Lihaste töövõime taastub ).
Glükoos ®2 piimhape (C2H4COOH)

• Etanoolkäärimine
  

- Suhkru lagundamine pärmiseente toimel. Protsess kestab seni kuni jätkub glükoosi, või tekkiv etanool pärsib pärmiseente elutegevuse. Eraldub süsihappegaas. Kui protsessile ei ole takistatud õhuhapnikku juurdepääs – oksüdeerivad segusse sattunud äädikhappebakterid etanooli veiniäädikaks, mida kasutatakse toidu valmistamisel.
Glükoos ® 2 etanool (C2H5OH) + CO2­

• Tsitraaditsükkel
  

- Püroviinamarihappe edasine lagundamine. Koosneb reaktsioonidest, mille käigus eralduvad järk-järgult CO2 molekulid ja H aatomid.

• Glükolüüsil moodustus 2 NADH2 molekuli;
  
• Tsitraaditsüklis 10 NADH2 molekuli.
  

- Seega ühe glükoosi molekuli kohta tekib kokku 12NADH2 molekuli, mis liiguvad hingamisahela reaktsioonidesse.

• Hingamisahela reaktsioonid
  

- Hingamisahela reaktsioonides vabanevad NADH2 molekulid H aatomitest. Moodustunud NAD on uuesti kasutatav 1. ja 2. etapis .
- Eraldunud vesinik seotakse hapnikuga ja moodustub H2O.
- Vabaneva energia arvel saab 12 NADH2 molekuli kohta sünteesida 36 ATP molekuli.
12 NADH2 + 6O2®12 NAD + 12 H2O
C6H12O6 ® 6CO2­ + 6H2O
- Kokku võib aeroobsetes tingimustes ühe glükoosimolekuli lõplikul lagundamisel moodustuda 38 ATP molekuli.
- Glükolüüsil saadi 2 ATP molekuli
- Hingamisahela reaktsioonide tulemusel veel 36 ATP