FOTOSISTEMI: KOMPONENTE, DELOVANJE IN TIPI - BIOLOGIJA - 2026

V fotosistema so funkcionalne enote fotosintetičnega procesa. Določajo jih oblike združevanja in posebna organizacija fotosintetskih pigmentov in beljakovinskih kompleksov, ki lahko absorbirajo in transformirajo svetlobno energijo v procesu, ki vključuje prenos elektronov.

Znani sta dve vrsti fotosistemov, imenovani fotosistemi I in II zaradi vrstnega reda, v katerem so bili odkriti. Fotosistem I ima zelo visoke količine klorofila v primerjavi s količino klorofila b, medtem ko ima fotosistem II zelo podobne količine fotosintetskih pigmentov.

Diagram Fotosistem I. Vzpostavljeno in urejeno iz: Pisum.

Fotosistemi se nahajajo v tilakoidnih membranah fotosintetskih organizmov, kot so rastline in alge. Najdemo jih lahko tudi v cianobakterijah.

Kloroplasti

Kloroplasti so sferične ali podolgovate organele s premerom približno 5 µm, ki vsebujejo fotosintetske pigmente. Znotraj njega se v rastlinskih celicah dogaja fotosinteza.

Obdajata jih dve zunanji membrani, v notranjosti pa vsebujeta vrečo podobne strukture, ki jih prav tako obdajata dve membrani, imenovani tilakoidi.

Tilakoidi so zloženi tako, da tvorijo niz, ki dobi ime grana, medtem ko se tekočina, ki obdaja tilakoide, imenuje stroma. Poleg tega tilakoide obdaja membrana, imenovana lumen, ki omejuje intratilakoidni prostor.

Pretvorba svetlobne energije v kemično energijo med fotosintezo se zgodi znotraj membran tilakoidov. Po drugi strani se v stromih pojavljata proizvodnja in shranjevanje ogljikovih hidratov kot posledica fotosinteze.

Fotosintetični pigmenti

So beljakovine, ki lahko absorbirajo svetlobno energijo, da jo porabijo med fotosintetskim postopkom, so v celoti ali delno vezane na tilakoidno membrano. Pigment, ki je neposredno vključen v svetlobne reakcije fotosinteze, je klorofil.

V rastlinah obstajata dve glavni vrsti klorofila, ki se imenujeta klorofila a in b. Vendar pa so v nekaterih algah lahko prisotne druge vrste klorofila, kot sta c in d, ki je prisoten le v nekaterih rdečih algah.

Obstajajo tudi drugi fotosintetski pigmenti, kot so karoteni in ksantofili, ki skupaj sestavljajo karotenoide. Ti pigmenti so izoprenoidi, ki jih na splošno sestavlja štirideset ogljikovih atomov. Karoteni so neoksigenirani karoteinoidi, ksantofili pa so kisikovi pigmenti.

V rastlinah je le klorofil a neposredno vključen v svetlobne reakcije. Preostali pigmenti neposredno ne absorbirajo svetlobne energije, ampak delujejo kot dodatni pigmenti s prenosom energije, ujete iz svetlobe, na klorofil a. Na ta način se zajame več energije, kot bi jo lahko zajel sam klorofil.

Fotosinteza

Fotosinteza je biološki postopek, ki omogoča rastlinam, algam in nekaterim bakterijam, da izkoristijo energijo sončne svetlobe. S tem postopkom rastline uporabljajo svetlobno energijo za pretvorbo atmosferskega ogljikovega dioksida in vode, pridobljene iz zemlje, v glukozo in kisik.

Svetloba povzroča zapleteno vrsto reakcij oksidacije in redukcije, ki omogočajo pretvorbo svetlobne energije v kemično energijo, potrebno za dokončanje procesa fotosinteze. Fotosistemi so funkcionalne enote tega procesa.

Sestavni deli fotosistemov

Antenski kompleks

Sestavljen je iz velikega števila pigmentov, med njimi na stotine molekul klorofila a in še večje količine pomožnih pigmentov, pa tudi fikobilinov. Kompleksna antena omogoča absorpcijo velike količine energije.

Deluje kot lijak ali kot antena (od tod tudi njegovo ime), ki energijo sonca zajame in jo pretvori v kemično energijo, ki se prenese v reakcijski center.

Zahvaljujoč prenosu energije klorofil molekula v reakcijskem centru prejme veliko več svetlobne energije, kot bi jo pridobil sam. Tudi če molekula klorofila prejme preveč svetlobe, bi se lahko fotooksidala in rastlina bi umrla.

Reakcijski center

To je kompleks, ki ga sestavljajo molekule klorofila, molekula, znana kot primarni receptor elektronov, in številne beljakovinske podenote, ki jih obdajajo.

Delovanje

Na splošno molekula klorofila, prisotna v reakcijskem centru, in ki sproži svetlobne reakcije fotosinteze, ne prejema fotonov neposredno. Dodatni pigmenti in nekateri klorofili v molekulah, ki so prisotni v antenskem kompleksu, prejemajo svetlobno energijo, vendar je ne uporabljajo neposredno.

Ta energija, ki jo absorbira antenski kompleks, se prenese v klorofil reakcijskega centra. Vsakič, ko se molekula klorofila sprosti, se sprosti energiziran elektron, ki ga absorbira primarni receptor elektrona.

Posledično je primarni akceptor zmanjšan, klorofil a pa pridobiva svoj elektron zahvaljujoč vodi, ki deluje kot končni osvobajalec elektronov, kisik pa je pridobljen kot stranski produkt.

Vrste

Fotosistem I

Najdemo ga na zunanji površini tilakoidne membrane in ima poleg klorofila a in karotenoidov tudi malo klorofila b.

Klorofil a v reakcijskem centru bolje absorbira valovne dolžine 700 nanometrov (nm), zato se imenuje P700 (pigment 700).

V fotosistemu I skupina proteinov iz skupine ferodoksinov - železov sulfid - deluje kot končni sprejemnik elektronov.

Fotosistem II

Najprej deluje v procesu pretvorbe svetlobe v fotosintezo, vendar je bil odkrit že po prvem fotosistemu. Najdemo ga na notranji površini tilakoidne membrane in ima večjo količino klorofila b kot fotosistem I. Vsebuje tudi klorofil a, fikobiline in ksantofile.

V tem primeru klorofil a v reakcijskem centru bolje absorbira valovno dolžino 680 nm (P680) in ne valovno dolžino 700 nm kot v prejšnjem primeru. Končni sprejemnik elektronov v tem fotosistemu je kinon.

Diagram Photosystem II. Vzeto in urejeno iz: Izvirno delo je napisal Kaidor. .

Razmerje med fotosistemi I in II

Proces fotosinteze zahteva oba fotosistema. Prvi fotosistem, ki deluje, je II, ki absorbira svetlobo in tako elektroni v klorofilu reakcijskega centra vzbudijo, primarni sprejemniki elektronov pa jih zajamejo.

Elektroni, ki jih vzbuja svetloba, potujejo v fotosistem I skozi elektronsko transportno verigo, ki se nahaja v tilakoidni membrani. Ta premik povzroči padec energije, ki omogoča prevoz vodikovih ionov (H +) skozi membrano proti lumenu tilakoidov.

Transport vodikovih ionov zagotavlja energijsko razliko med lumenskim prostorom tilakoidov in strome kloroplasta, ki služi za ustvarjanje ATP.

Klorofil v reakcijskem centru fotosistema I prejme elektron iz fotosistema II. Elektroni se lahko nadaljujejo s cikličnim transportom elektronov okoli fotosistema I ali pa se uporabijo za tvorbo NADPH, ki se nato transportira v cikel Calvin.

Reference

1. MW Nabors (2004). Uvod v botaniko. Pearson Education, Inc.
2. Fotosistem. Na Wikipediji. Pridobljeno s strani en.wikipedia.org.
3. Fotosistem I, v Wikipediji. Pridobljeno s strani en.wikipedia.org.
4. Fotosinteza - Fotosistemi I in II. Pridobljeno od britannica.com.
5. B. Andersson in LG Franzen (1992). Fotosistemi kisikove fotosinteze. V: L. Ernster (ur.). Molekularni mehanizmi v bioenergetiki. Elvieser Science Publishers.
6. EM Yahia, A. Carrillo-López, GM Barrera, H. Suzán-Azpiri & MQ Bolaños (2019). Poglavje 3 - Fotosinteza. Pozdravna fiziologija in biokemija sadja in zelenjave.