Η φωτοσύνθεση αντιπροσωπεύει τη βιολογική διαδικασία με την οποία τα φυτά μετατρέπουν την ελαφριά ενέργεια σε ζάχαρη σε καύσιμα φυτικά κύτταρα. Αποτελούμενο από δύο στάδια, ένα στάδιο μετατρέπει την ελαφριά ενέργεια σε ζάχαρη και στη συνέχεια η κυτταρική αναπνοή μετατρέπει το σάκχαρο σε τριφωσφορική αδενοσίνη, γνωστή ως ATP, το καύσιμο για όλη την κυτταρική ζωή. Η μετατροπή του άχρηστου ηλιακού φωτός κάνει τα φυτά πράσινα.
Ενώ οι μηχανισμοί φωτοσύνθεσης είναι πολύπλοκοι, η συνολική αντίδραση εμφανίζεται ως εξής: διοξείδιο του άνθρακα + ηλιακό φως + νερό> γλυκόζη (σάκχαρο) + μοριακό οξυγόνο. Η φωτοσύνθεση πραγματοποιείται μέσω πολλών βημάτων που συμβαίνουν σε δύο στάδια: τη φάση φωτός και τη σκοτεινή φάση.
Πρώτο στάδιο: Ελαφριές αντιδράσεις
Στη διαδικασία που εξαρτάται από το φως, η οποία λαμβάνει χώρα στο γκρανά, η στοιβαγμένη δομή μεμβράνης εντός χλωροπλαστών, η Η άμεση ενέργεια του φωτός βοηθά το φυτό να παράγει μόρια που μεταφέρουν ενέργεια για χρήση στη σκοτεινή φάση του φωτοσύνθεση. Το φυτό χρησιμοποιεί ελαφριά ενέργεια για να παράγει το συνένζυμο φωσφορικό δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης ή NADPH και ATP, τα μόρια που μεταφέρουν ενέργεια. Οι χημικοί δεσμοί σε αυτές τις ενώσεις αποθηκεύουν την ενέργεια και χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια της σκοτεινής φάσης.
Δεύτερο στάδιο: Σκοτεινές αντιδράσεις
Η σκοτεινή φάση, η οποία λαμβάνει χώρα στο στρώμα και στο σκοτάδι όταν υπάρχουν τα μόρια που μεταφέρουν ενέργεια, είναι επίσης γνωστή ως ο κύκλος Calvin ή C3 κύκλος. Η σκοτεινή φάση χρησιμοποιεί τα ATP και NADPH που παράγονται στη φάση φωτός για να δημιουργήσουν ομοιοπολικούς δεσμούς C-C υδατανθράκων από διοξείδιο του άνθρακα και νερό, με τη χημική διφωσφορική ριβουλόζη ή RuBP, μια χημική ουσία 5-C που δεσμεύει τον άνθρακα διοξίδιο. Έξι μόρια διοξειδίου του άνθρακα εισέρχονται στον κύκλο, ο οποίος με τη σειρά του παράγει ένα μόριο γλυκόζης ή σακχάρου.
Πώς λειτουργεί η φωτοσύνθεση
Ένα βασικό συστατικό που οδηγεί τη φωτοσύνθεση είναι το μόριο χλωροφύλλη. Η χλωροφύλλη είναι ένα μεγάλο μόριο με ειδική δομή που του επιτρέπει να συλλάβει την ελαφριά ενέργεια και να το μετατρέπει σε ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας, τα οποία χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων των δύο φάσεων για την τελική παραγωγή της ζάχαρης ή γλυκόζη.
Στα φωτοσυνθετικά βακτήρια, η αντίδραση λαμβάνει χώρα στην κυτταρική μεμβράνη και εντός του κυττάρου, αλλά έξω από τον πυρήνα. Σε φυτά και φωτοσυνθετικά πρωτόζωα - τα πρωτόζωα είναι μονοκύτταροι οργανισμοί που ανήκουν στο ευκαρυωτικό τομέας, ο ίδιος τομέας ζωής που περιλαμβάνει φυτά, ζώα και μύκητες - η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα μέσα χλωροπλάστες. Οι χλωροπλάστες είναι ένας τύπος διαμερισμάτων οργανικών ή μεμβρανών, προσαρμοσμένων για συγκεκριμένες λειτουργίες όπως η δημιουργία ενέργειας για τα φυτά.
Χλωροπλάστες - Μια εξελικτική ιστορία
Ενώ οι χλωροπλάστες υπάρχουν σήμερα σε άλλα κύτταρα, όπως τα φυτικά κύτταρα, έχουν το δικό τους DNA και γονίδια. Η ανάλυση της αλληλουχίας αυτών των γονιδίων αποκάλυψε ότι οι χλωροπλάστες εξελίχθηκαν από ανεξάρτητα ζωντανούς φωτοσυνθετικούς οργανισμούς που σχετίζονται με μια ομάδα βακτηρίων που ονομάζονται κυανοβακτήρια.
Μια παρόμοια διαδικασία συνέβη όταν οι πρόγονοι των μιτοχονδρίων, τα οργανίδια μέσα σε κύτταρα όπου λαμβάνει χώρα οξειδωτική αναπνοή, το χημικό αντίθετο της φωτοσύνθεσης. Σύμφωνα με τη θεωρία της ενδοσυμπιόσης, μια θεωρία που δόθηκε ώθηση πρόσφατα, λόγω μιας νέας μελέτης που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, και οι δύο χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια κάποτε ζούσαν ως ανεξάρτητα βακτήρια, αλλά κατακλύστηκαν από τους προγόνους των ευκαρυωτικών, οδηγώντας τελικά στην εμφάνιση φυτών και των ζώων.