După ce energia solară este convertită în energie chimică și este stocată sub forma moleculelor de ATP și NADPH, fotosinteza are la dispoziție combustibilul pentru a fabrica moleculele de carbohidrați pentru stocarea pe termen lung a energiei. ATP-ul și NADPH-ul, produșii reacțiilor dependente de lumină, au o durată de viață de ordinul milionimilor de secundă, în timp ce produșii reacțiilor independente de lumină (carbohidrații și alte forme de carbon redus) pot supraviețui aproape indefinit. Atomii de carbon din moleculele de carbohidrați provin din dioxidul de carbon – produsul respirației microbilor, fungilor, plantelor și animalelor.
Reacțiile independente de lumină (Ciclul Calvin)
La plante, dioxidul de carbon (CO2) pătrunde în frunze prin stomate și difuzează pe distanțe scurte prin spațiile intercelulare până când ajunge în celulele mezofilului. Odată ajuns la acest nivel, dioxidul de carbon difuzează în stroma cloroplastului – locul unde se desfășoară reacțiile independente de lumină ale fotosintezei. Aceste reacții mai poartă și denumirea de ciclul Calvin (sau ciclul Calvin-Benson), după numele savantului care le-a descoperit.
Reacțiile independente de lumină ale ciclului Calvin pot fi organizate în trei etape: fixare, reducere și regenerare.
Etapa 1: fixarea
La nivelul stromei, în afară de CO2, sunt prezente alte două componente pentru inițierea reacțiilor independente de lumină: o enzimă denumită ribulozo-1,5-bisfosfat-carboxilază/oxigenază (RuBisCo) și trei molecule de ribulozo-bisfosfat (RuBP). RuBP conține cinci atomi de carbon și două grupări fosfat.
RuBisCo catalizează reacția dintre dioxidul de carbon și RuBP. Pentru fiecare moleculă de CO2 ce reacționează cu o moleculă de RuBP se formează două molecule ale unui alt compus denumit acid 3-fosfo-gliceric (3-PGA), care conține trei atomi de carbon și o grupare fosfat. Fiecare ciclu implică doar o moleculă de RuBP și o moleculă de dioxid de carbon și formează două molecule de 3-PGA. Numărul atomilor de carbon rămâne același, deoarece atomii se deplasează pentru a forma noi legături în timpul reacțiilor (3 atomi de C din 3CO2 + 15 atomi de C din 3RuBP = 18 atomi de C în 6 molecule de 3-PGA). Acest proces poartă denumirea de fixarea carbonului, deoarece dioxidul de carbon este „fixat” din formă anorganică în formă organică.
Etapa 2: reducerea
ATP-ul și NADPH-ul sunt utilizate pentru a converti cele șase molecule de 3-PGA în șase molecule de glicerladehid-3-fosfat (G3P). Această reacție este una de reducere deoarece implică acceptarea de electroni de către 3-PGA. Sunt utilizate șase molecule de ATP și NADPH. În cazul ATP-ului, energia este eliberată prin pierderea grupării fosfat terminale, cu formarea de ADP; în cazul NADPH, se pierd energie și un atom de hidrogen prin convertirea în NADP+. Ambele aceste molecule rezultate (ADP și NADP+) se reîntorc în reacțiile dependente de lumină pentru a fi reutilizate.
Etapa 3: regenerarea
În acest moment al ciclului Calvin, doar una dintre moleculele de G3P părăsește ciclul și ajunge în citoplasmă pentru a contribui la sinteza altor compuși necesari plantei. Deoarece G3P exportat din cloroplast are trei atomi de carbon, sunt necesare trei „ture” ale ciclului Calvin pentru a fixa suficient carbon net pentru a exporta o singură moleculă de G3P. Celelalte cinci molecule de G3P rămân în ciclu și sunt utilizate pentru regenerarea RuBP, ceea ce permite sistemului să fie pregătit pentru fixarea a mai mult dioxid de carbon. Aceste reacții de regenerare consumă încă trei molecule de ATP.
Fotosinteza
În timpul evoluției fotosintezei, a avut loc o trecere de la fotosinteza bacteriană, care implică doar un fotosistem și este de obicei anoxigenică (nu produce oxigen), la fotosinteza modernă, oxigenică, ce folosește două fotosisteme. Fotosinteza oxigenică este utilizată de numeroase organisme, de la uriașele frunze din pădurile tropicale umede până la cianobacterii, iar procesele și componentele acestui tip de fotosinteză au rămas predominant la fel. Fotosistemele absorb lumina și folosesc lanțul transportor de electroni pentru a converti energia luminoasă în energie chimică înmagazinată în ATP și NADPH. Apoi reacțiile independente de lumină sintetizează molecule de carbohidrați cu ajutorul acestei energii.
În condiții aspre și uscate ale deșerturilor, plantele trebuie să conserve și să utilizeze fiecare picătură de apă pentru a supraviețui. Deoarece stomatele trebuie să fie deschise pentru a permite pătrunderea dioxidului de carbon, apa scapă din frunze în timpul fotosintezei. Plantele deșertice și-au dezvoltat procese de conservare a apei. Mecanismele de captare și stocare a dioxidului de carbon permit plantelor să se adapteze la traiul cu mai puțină apă. Unele plante, cum sunt cactușii, pot pregăti materialele pentru fotosinteză în timpul nopții prin procese temporare de fixare/stocare a carbonului, deoarece deschiderea stomatelor noaptea conservă apă datorită temperaturilor mai scăzute. În timpul zilei, cactușii folosesc dioxidul de carbon captat pentru fotosinteză și își țin stomatele închise.
Fluxul de energie
Indiferente dacă sunt bacterii, plante sau animale, toate organismele vii accesează energia prin descompunerea carbohidraților sau altor molecule organice bogate în carbon. Însă dacă plantele produc ele însele carbohidrații, de ce mai este nevoie să-i descompună, mai ales că dioxidul de carbon eliberat prin respirație (un produs rezidual al respirației) este folosit ca substrat în fotosinteză? Toate organismele vii au nevoie de energie pentru a funcționa. În plus, un organism fie își produce singura hrana, fie mănâncă alt organism – în ambele cazuri, hrana trebuie descompusă. În urma procesului de descompunere a hranei, proces denumit respirație celulară, heterotrofele eliberează energia necesară și produc reziduuri sub formă de dioxid de carbon.
Cu toate acestea, în natură nu există noțiunea de „reziduu”. Fiecare atom de materie și energia sunt conservate și reciclate în mod indefinit. Substanțele își schimbă forma și se transformă dintr-un tip de molecule în altul, însă atomii constituenți nu dispar niciodată.
În realitate, dioxidul de carbon nu este o formă de deșeu, cum nu este nici oxigenul rezultat din fotosinteză. Aceste două gaze sunt produși secundari ai reacțiilor și participă la alte reacții. Fotosinteza absoarbe lumina pentru a sintetiza carbohidrați în cloroplaste, iar respirație celulară aerobă eliberează energie prin utilizarea oxigenului pentru metabolizarea carbohidraților în citoplasmă și mitocondrii. Ambele procese utilizează lanțuri transportoare de electroni pentru a capta energia necesară acestor reacții.
Aceste două procese centrală, fotosinteza și respirație celulară, funcționează în armonie biologică, pentru a accesa energia necesară vieții și care este emisă de o stea situată la milioane de kilometri depărtare.
Sursa: OpenStax
Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi (2018). Photosynthetis, din Biology for AP® Courses. Houston, Texas, S.U.A.: OpenStax. Preluat de pe https://openstax.org/books/biology-2e/pages/8-3-using-light-energy-to-make-organic-molecules