O chlorofylu a fotosyntéze

Tento text vznikl za podpory       

Schopnost provádět fotosyntézu je unikátní vlastnost rostlin, řas a sinic, tedy fotoautotrofních organismů, díky které je zajištěn vstup energie do potravního řetězce. Jak to celé funguje se pokusíme vysvětlit v následujícím textu.

Co je to chlorofyl?

Základním předpokladem úspěchu fotoautotrofních organismů je schopnost zachytit sluneční světlo. K tomu slouží chlorofyl, zelené barvivo obsažené v jejich buňkách. Chlorofyl je tak díky své schopnosti zachytit energii slunečního záření nesmírně důležitá molekula. Energie zachycená chlorofylem je totiž využita v procesu fotosyntézy pro tvorbu (syntézu) energeticky bohatých organických sloučenin - cukrů - z jednoduchých anorganických látek – oxidu uhličitého a vody.
Chlorofyl dává rostlinám a řasám typickou zelenou barvu, protože právě „zelenou“ oblast spektra dopadajícího slunečného záření (vlnové délky 495-570nm) odráží, zatímco ostatní barvy (modrou a červenou) pohlcuje. Chlorofyl ve skutečnosti není jediná molekula, ale je známo 6 různých forem. Společným základem je molekula tvořená porfyrinovým kruhem, v jehož středu je navázaný ion hořčíku, a lineárním řetězcem fytolu. Nositelem zachycené energie světla (tj. excitační energie) jsou elektrony, které se po excitaci molekuly uvolňují z oblasti porfyrinového kruhu.

 

Obr. 1 Strukturní vzorec molekuly chlorofylu, tvořené porfyrinovým kruhem (A-E) s centrálně vázaným iontem hořčíku a lineární molekulou fytolu (vlevo dole). Podle navázání různých funkčních skupin ve vazebných místech označených X a Y se rozlišují jednotlivé varianty chlorofylu. https://cs.wikipedia.org/wiki/Chlorofyl

 

Jednotlivé formy (a, b, c, d, e a f) se od sebe jen nepatrně liší v přítomnosti a poloze některých funkčních skupin na porfyrinovém kruhu, ale díky tomu pohlcují mírně odlišné rozpětí modrých a červených vlnových délek. Chlorofyl-a je hlavní molekula zodpovědná za fotosyntézu. Znamená to, že se nachází v každém fotosyntetizujícím organismu od suchozemské rostliny po řasy a sinice. Ostatní formy chlorofylu mají doplňující funkci a jsou zastoupeny v různých skupinách rostlin, řas a sinic různě. Tyto chlorofyly také absorbují sluneční záření a tím (na)pomáhají při fotosyntéze - veškerou zachycenou energii předávají do chlorofylu-a. Zastoupením různých druhů chlorofylů pohlcujících odlišné vlnové délky je dosaženo většího využití dopadajícího slunečního záření, a tedy vyšší účinnosti fotosyntézy.

 

Obr. 2 Jednotlivé formy chlorofylu pohlcují trochu odlišnou část spektra dopadajícího slunečního záření. http://www.fondriest.com/environmental-measurements/wp-content/uploads/2014/10/383x295xchlorophyll_weight-wavelength.jpg.pagespeed.ic.zJIFGl36RW.jpg

 

Chlorofylům jsou po chemické stránce příbuzné bakteriochlorofyly, které se vyskytují u některých bakterií mimo sinic.

Další fotosyntetická barviva

Chlorofyly nejsou jediné fotosyntetické pigmenty, patří k nim také fykobiliny (fykobiliproteiny) a karotenoidy, které však mají jinou strukturu a barvu a absorbují energii z odlišné části viditelného světelného spektra. Tyto přídavné pigmenty jsou zodpovědné za žluté, červené, modré a nebo hnědé zbarvení organismů. Podobně jako chlorofyly, také tyto molekuly mají schopnost zachycovat energii slunečního záření a předávat ji na chlorofyl a (např. fykobiliny u sinic), a nebo zastávají ochrannou funkci a odvádí z procesu fotosyntézy nadbytečnou energii tím, že ji přemění na teplo (např. některé karotenoidy).

 

Obr. 3 Různá fotosyntetická barviva pohlcují a odráží různá rozpětí vlnových délek. Všechny však pomáhají při fotosyntéze. http://www.fondriest.com/environmental-measurements/wp-content/uploads/2014/10/336x297xchlorophyll_absorption-wavelength.jpg.pagespeed.ic.vf4CkblBLx.jpg

 

Většina řas je na pohled zelená i přesto, že obsahuje přídavné pigmenty. Hlavním důvodem je skutečnost, že se v zelených řasách chlorofyl nachází ve vyšších koncentracích než ostatními pigmenty. Kromě toho chlorofyl ve srovnání s ostatními pigmenty pohlcuje záření silněji. O to intenzivnější se jeví odražené zelené světlo – maskuje jiné méně odražené barvy.

 

Co je to fotosyntéza?

Fotosyntéza je složitý proces, při kterém se zachycená energie světelného (slunečního) záření využívá k výrobě (syntéze) energeticky bohatých organických sloučenin z jednoduchých anorganických látek. V procesu fotosyntézy se energie zachyceného světelného záření ukládá do formy energie chemické vazby.
Rostliny, řasy a sinice provádějí tzv. oxygenní fotosyntézu - to znamená, že vyžadují oxid uhličitý, vodu a sluneční záření (záření je zachyceno chlorofylem-a) a tyto ingredience využívají pro výrobu glukózy (cukru) a jako vedlejší produkt se uvolňuje kyslík. Cukry organismus využívá v procesech látkové přeměny jako zdroj energie i jako základní stavební jednotku. Fotosyntéza má tak zcela zásadní význam pro život na Zemi.

Souhrnná sumární rovnice fotosyntézy (ve skutečnosti jde o sled mnoha reakcí):

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

(https://cs.wikipedia.org/wiki/Fotosynt%C3%A9za)

Fotosyntéza pod vodou

Proces fotosyntézy může probíhat kdekoli, kde je k dispozici dostatek světla. V oceánu světlo proniká až do hloubky 200m pod hladinu. Vrstva vody, do které je schopno pronikat sluneční světlo, bývá označována jako eufotická zóna. Fytoplankton a další řasy se mohou nalézat v celé této zóně.

Co ovlivňuje fotosyntézu?

Jelikož je proces fotosyntézy závislý na světle, tak právě množství a kvalita světla, které má organismus k dispozici, ovlivňuje tento proces nejvíce. Fotosyntéza dosahuje svého maxima během dne a klesá s ubývajícím dopadajícím zářením. Avšak ne veškeré světlo může být pro fotosyntézu využito. Pouze oblast viditelného světla (od modré po červenou) je fotosynteticky aktivní záření. Ultrafialové (UV) záření má příliš mnoho energie pro fotosyntézu a naopak infračervené (IR) ho nemá dostatek. Navíc pokud je fytoplankton vystaven příliš velkému množství UV záření, může v důsledku jeho působení – nadbytku energie - dojít až k poškození a rozpadu různých organických molekul včetně DNA organismu.
Z viditelné části světelného spektra fotosyntetické pigmenty absorbují především červené a modré světlo, zatímco zelené odráží. To je důvod, proč se fytoplanktonu, zejména sinicím, daří také v dolní části eufotické (světelné) zóny, kam proniká pouze modré světlo. Modré světlo má jednak dostatek energie a zároveň je silně pohlcováno chlorofylem, je proto efektivně využito pro fotosyntézu.

 

Obr. 4 Modré a červené světlo jsou ve fotosyntéze využívány s největší účinností. http://www.fondriest.com/environmental-measurements/wp-content/uploads/2014/03/384x304xpar_photosynthesis-wavelength.jpg.pagespeed.ic.BGjGExN3Pl.jpg

 

Zákal ovlivňuje množství světla, které proniká vodním sloupcem. Čím více je ve vodě rozptýlených částic, tím méně světla vodou proniká. Čím méně světla je k dispozici, tím nižší je fotosyntetická produkce. V kalných vodách probíhá fotosyntéza spíše u hladiny, než hlouběji, kde je světla málo.

Také teplota vody ovlivňuje rychlost fotosyntézy. Obecně platí, že fotosyntetická produkce s teplotou stoupá, dokud není dosaženo teplotního optima. Pokud teplota překročí teplotní optimum, tak fotosyntetická aktivita ustává. Přílišné horko způsobí rozklad enzymů, a vede ke zpomalení procesu fotosyntézy. Míra, do jaké teplota ovlivňuje fotosyntézu řas a sinic je druhově specifická - každý organismus má trochu jiné teplotní optimum. S rostoucí fotosyntetickou produkcí se zvětšuje také rychlost reprodukce fytoplanktonu.

 

Obr. 5 Vliv teploty na rychlost fotosyntézy u různých skupin fytoplanktonu (Anabaena = sinice, Synedra = řasa rozsivka, Chlorella, Scenedesmus = zelené řasy).
http://www.fondriest.com/environmental-measurements/wp-content/uploads/2014/02/360x252xwatertemp_photosynthesis.jpg.pagespeed.ic.nYe-4SEVC1.jpg

 

Kromě světla a teploty může fotosyntézu řas a sinic významně ovlivnit i čistota vody. Přítomnost toxických látek, ať už těžkých kovů, nebo organických chemikálií jako jsou herbicidy a pesticidy, organické látky z kouřových zplodin a podobné jedy, často narušuje nebo zcela znemožňuje funkci jednotlivých součástí fotosyntetického aparátu. Znečištění vody však nepůsobí jen na fotosyntézu, obvykle jsou postiženy i další životní procesy v buňkách řas a sinic.

Kde v organismu probíhá fotosyntéza?

Ať se jedná o rostlinu, řasu nebo sinici, fotosyntetická aktivita je soustředěna do specifických útvarů přímo v jednotlivých buňkách těchto organismů. U rostlin a řas, které mají tzv. pravé, eukaryotické buňky, se jedná o buněčné organely nazývané chloroplasty. Chloroplasty mají dvojitou membránu a vnitřní membrána se vchlipuje dovnitř chloroplastu a vytváří složitou síť váčků, které se označují jako thylakoidy. Sinice mají buňku jednodušší, tzv. prokaryotickou, a thylakoidy se u nich vytváří přímo z buněčné membrány blízko pod povrchem buňky.

Stavba membrány samotného thylakoidu je u rostlin, řas i sinic velmi podobná. Obsahuje řadu bílkovin, které spolu s fotosyntetickými barvivy vytváří dva druhy pigment-proteinových komplexů, nazývaných fotosystém I a II. Jejich hlavní funkcí je zachycování světelné energie při primární fázi fotosyntézy. Navíc právě fotosystém II produkuje při správné funkci kyslík. Reakční centra fotosystémů obsahují zejména chlorofyl-a. Součástí fotosystémů jsou také tzv. světlosběrné komplexy, antény, které obsahují kromě chlorofylu-a i další formy chlorofylů a ostatní fotosyntetické pigmenty podle druhu organismu a pomáhají, jak již název napovídá, zachycovat světelnou energii a předávat ji do reakčního centra fotosystémů.

Kromě fotosystémů jsou v thylakoidní membráně přítomné ještě další organické molekuly a enzymy, které zachycenou energii z fotosystémů přebírají, dál přenáší a zpracovávají do dočasných energetických zásob. Vlastní zpracování (= asimilace) oxidu uhličitého v Calvinově cyklu, tzv. sekundární fáze fotosyntézy, pak probíhá mimo thylakoidy, u rostlin a řas opět v chloroplastech, u sinic přímo v cytoplazmě mezi thylakoidy.