Weird Science

Fotosynteza w probówce

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (6/2018):

Ilustracja

Ples M., Foto­syn­teza w pro­bówce, Bio­lo­gia w Szkole, 6 (2018), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 57-63

Foto­syn­tezę można zde­fi­nio­wać jako pro­ces umożl­i­wia­jący wytwo­rze­nie związ­ków orga­nicz­nych z mate­rii nie­or­ga­nicz­nej. Zacho­dzi ona przy udziale świa­tła w komór­kach zawie­ra­jących chlo­ro­fil lub bak­te­rio­ch­lo­ro­fil [1].

Wśród zna­nych nam pro­ce­sów bio­che­micz­nych foto­syn­teza zaj­muje jedno z naj­ważn­iej­szych miejsc i to nie tylko z aka­de­mic­kiego punktu widze­nia. Zau­ważmy, że pra­wie cała ener­gia, którą dys­po­nują orga­ni­zmy żywe, pocho­dzi - bez­po­śred­nio lub pośred­nio - ze Słońca i dociera do nas w dużej mie­rze jako pro­mie­nio­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne z zakresu widzial­nego. Foto­syn­teza pozwala więc orga­ni­zmom auto­tro­ficz­nym na prze­ksz­tałc­e­nie świa­tła w postać ener­gii wiązań che­micz­nych związ­ków orga­nicz­nych, która jest następ­nie wyko­rzy­sty­wana przez nie same, a także przez orga­ni­zmy hete­ro­tro­ficzne. W ten spo­sób przy roz­pa­try­wa­niu Ziemi jako cało­ści wzra­sta masa mate­rii orga­nicz­nej. Dzieje się to oczy­wi­ście kosz­tem mate­rii nie­or­ga­nicz­nej. Wysoka kon­cen­tra­cja tlenu w atmos­fe­rze naszej pla­nety także jest skut­kiem milio­nów lat pro­wa­dze­nia foto­syn­tezy przez zróżn­i­co­wane orga­ni­zmy.

Trzeba zazna­czyć, że ist­nieje także star­szy ewo­lu­cyj­nie mecha­nizm auto­tro­fii, oby­wa­jący się bez ener­gii świa­tła sło­necz­nego. Jest to che­mo­syn­teza, w której ener­gia zostaje wytwo­rzona na dro­dze utle­nia­nia pro­stych związ­ków nie­or­ga­nicz­nych lub metanu [2]. Che­mo­au­to­tro­fami są pewne bak­te­rie, np. nitry­fi­ka­cyjne z rodza­jów Nitro­so­mo­nas czy Nitro­bac­ter, siar­kowe Beg­gia­toa, żela­zowe Lep­to­spi­ril­lum, wodo­rowe Hydro­ge­no­bac­ter i inne [3]. Orga­ni­zmy che­mo­au­to­tro­ficzne pełnią ważną rolę w obiegu pier­wiast­ków takich jak azot i fos­for. Z punktu widze­nia pro­duk­cji bio­masy rola tego rodzaju prze­mian meta­bo­licz­nych jest jed­nak mniej­sza niż foto­styn­tezy.

W niniej­szym arty­kule zaj­miemy się głów­nie foto­syn­tezą u orga­ni­zmów euka­rio­tycz­nych, tj. takich, których komórki zawie­rają wyspe­cja­li­zo­wane orga­nelle. U tych orga­ni­zmów (np. roślin zie­lo­nych Chlo­ro­pla­stida) pro­ces foto­syn­tezy zacho­dzi w odpo­wied­nich struk­tu­rach - są to chlo­ro­pla­sty zawie­ra­jące barw­niki barw­niki foto­syn­te­tyczne, głów­nie chlo­ro­file. U roślin chlo­ro­pla­sty występują naj­licz­niej w komór­kach liści, które są głów­nymi orga­nami pro­wa­dzącymi asy­mi­la­cję dwu­tlenku węgla. Mniej­szą ilość chlo­ro­pla­stów zawie­rają także inne niez­drew­niałe tkanki.

Foto­syn­teza jest oczy­wi­ście bar­dzo skom­pli­ko­wa­nym pro­ce­sem, ale pewne jej mecha­ni­zmy możemy zba­dać nawet nie­wiel­kim nakła­dem środ­ków i czasu. Jed­nym z pomoc­nych po temu środ­ków jest tak zwana reak­cja Hilla, bio­rąca swą nazwę od imie­nia Roberta Hilla, bry­tyj­skiego bio­che­mika, który w 1939 roku opi­sał wspom­nianą reak­cję [4]. Pozwala ona na prze­pro­wa­dze­nie foto­syn­tezy in vitro, w izo­lo­wa­nych chlo­ro­pla­stach.

Możemy wyko­nać dwie waria­cje na temat reak­cji Hilla. Pierw­sza z nich jest bar­dziej efek­towna, ale będzie wyma­gać nieco trud­niej­szych do zdo­by­cia sub­stan­cji. Druga nato­miast da się prze­pro­wa­dzić przy wyko­rzy­sta­niu sto­sun­kowo łatwo dostęp­nych związ­ków che­micz­nych.

Izo­la­cja chlo­ro­pla­stów

Aby prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie musimy zao­pa­trzyć się w chlo­ro­pla­sty. W tym celu nadają się jakie­kol­wiek zie­lone, nie­zbyt twarde czę­ści roślin, a w szcze­gól­no­ści liście. Odpo­wied­nie są świeże liście szpi­naku warzyw­nego Spi­na­cia ole­ra­cea z rodziny szar­ła­to­wa­tych Ama­ran­tha­ceae. Roślina ta jest ceniona jako bar­dzo bogate źródło wita­min i białka, a także błon­nika, karo­te­no­i­dów oraz soli mine­ral­nych. Ważną zaletą szpi­naku są nie­wiel­kie koszty uprawy i - co szcze­gól­nie ważne także dla nas jako eks­pe­ry­men­ta­to­rów - jego dostęp­ność przez cały rok, także w cza­sie nie­do­boru świe­żych roślin jadal­nych [5].

Do doświad­cze­nia wystar­czy nie­wielka ilość (kilka, kil­ka­na­ście) liści szpi­naku (Fot.1). Ina­czej niż w przy­padku np. eks­trak­cji chlo­ro­fili nie może być to szpi­nak mro­żony, a jedy­nie świeży [6].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – liście szpi­naku wyko­rzy­stane w doświad­cze­niu

Muszę uprze­dzić Czy­tel­ni­ków, że dla osiągnięcia naj­lep­szego efektu wszyst­kie czyn­no­ści izo­la­cyjne w sto­sunku do chlo­ro­pla­stów należy pro­wa­dzić w ciem­no­ści lub przy jak naj­słab­szym świe­tle. Także gotowy izo­lat powi­nien być prze­cho­wy­wany w warun­kach braku oświe­tle­nia. Ma to na celu och­ronę chlo­ro­pla­stów przed usz­ko­dze­niem.

Liście trzeba pociąć na nie­wiel­kie frag­menty, umie­ścić je w sch­ło­dzo­nym por­ce­la­no­wym moździe­rzu i dodać nieco czy­stego pia­sku kwar­co­wego (ewen­tu­al­nie drob­nego i dokład­nie oczysz­czo­nego zwy­kłego pia­sku), co można zoba­czyć na Fot.2.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Frag­menty liści szpi­naku z dodat­kiem pia­sku w moździe­rzu

Chlo­ro­pla­sty pozy­skuje się w śro­do­wi­sku odpo­wied­niego roz­tworu izo­la­cyj­nego, którego rolą jest och­rona deli­kat­nych orga­nelli przed usz­ko­dze­niem. Do jego przy­go­to­wa­nia potrze­bu­jemy sub­stan­cji z poniższej listy:

Nie wyko­rzy­stu­jemy tutaj żad­nych sil­nie tok­sycz­nych sub­stan­cji, ale należy zacho­wać ostrożn­ość jak zaw­sze przy pracy z che­mi­ka­liami. Doty­czy to także każdej sub­stan­cji wyko­rzy­sty­wa­nej w dal­szych eta­pach doświad­czeń opi­sy­wa­nych w tym arty­kule.

Do przy­go­to­wa­nia wszyst­kich potrzeb­nych roz­two­rów należy zasto­so­wać wodę desty­lo­waną.

Bufor fos­fo­ra­nowy można uzy­skać odwa­ża­jąc 5,026g wodo­ro­fos­fo­ranu sodu Na2HPO4 i 2,878g diwo­do­ro­fos­fo­ranu sodu NaH2PO4, a następ­nie roz­pusz­cza­jąc je w wodzie, tak by osta­teczna objętość roz­tworu wynio­sła 1dm3 [7]. Oczy­wi­ście naj­le­piej jest skon­tro­lo­wać pH roz­tworu i ewen­tu­al­nie sko­ry­go­wać ilo­ści sub­stan­cji wcho­dzących w jego skład albo dodać nieco zasady lub kwasu, tak by odczyn był jak naj­bliższy przy­to­czo­nej war­to­ści.

Następ­nie, aby przy­go­to­wać wła­ściwy roz­twór izo­la­cyjny musimy odwa­żyć 136,92g sacha­rozy i 0,75g chlorku potasu, a następ­nie obie sub­stan­cje roz­pu­ścić w otrzy­ma­nym uprzed­nio bufo­rze fos­fo­ra­no­wym, tak aby końc­owa objętość ponow­nie była równa 1dm3. Roz­twór można prze­cho­wy­wać przez pewien czas w szczel­nie zamk­niętym naczy­niu w lodówce.

Przy­go­to­wane, uprzed­nio pofrag­men­to­wane liście szpi­naku wraz z pia­skiem należy zalać w moździe­rzu kil­ku­na­stoma cen­ty­me­trami sze­ścien­nymi sch­ło­dzo­nego roz­tworu izo­la­cyj­nego, a następ­nie ucie­rać (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Wszystko gotowe do ucie­ra­nia

Pia­sek uła­twia znisz­cze­nie komórek (w szcze­gól­no­ści ich ścian komór­ko­wych) i wydo­sta­nie się na zew­nątrz chlo­ro­pla­stów. Ucie­ra­nia nie należy pro­wa­dzić zbyt długo. Ciągle chłodną mie­sza­ninę trzeba następ­nie prze­sączyć przez gazę, co powinno zatrzy­mać więk­sze frag­menty komórek. Do prze­sączu prze­do­stają się między innymi chlo­ro­pla­sty, które dzięki odpo­wied­niemu śro­do­wi­sku zapew­nia­nemu przez roz­twór izo­la­cyjny nie ule­gają natych­mia­sto­wemu usz­ko­dze­niu.

Pow­stałą ciecz należy sch­ło­dzić np. w łaźni wod­nej z dodat­kiem lodu (Fot.4). Zie­lona zawie­sina chlo­ro­pla­stów do czasu dal­szych czyn­no­ści powinna być prze­cho­wy­wana w warun­kach braku oświe­tle­nia w lodówce.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Zawie­sina wyi­zo­lo­wa­nych chlo­ro­pla­stów

W razie ist­nie­nia takiej możl­i­wo­ści zawie­sinę chlo­ro­pla­stów można zagę­ścić poprzez wiro­wa­nie i zawie­sze­nie uzy­ska­nego osadu w nowym bufo­rze izo­la­cyj­nym.

Zawie­siny chlo­ro­pla­stów nie można zbyt długo prze­cho­wy­wać, dla­tego do następ­nych doświad­czeń naj­le­piej przejść natych­miast albo krótko po izo­la­cji.

Sztuczna foto­syn­teza – wer­sja I

W tym doświad­cze­niu wyko­rzy­stamy 2,6-dich­lo­ro­fe­no­lo­in­do­fe­nol C12H7NCl2O2 (Rys.1).

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny 2,6-dich­lo­ro­fe­no­lo­in­do­fe­nolu

Związek jest uży­wany jako kolo­rowy wskaźnik redoks. Jego forma utle­niona ma barwę nie­bie­ską, zaś zre­du­ko­wana jest bez­barwna. Sub­stan­cja ta bywa także uży­wana do okre­śla­nia kon­cen­tra­cji kwasu askor­bi­no­wego C26H8O6 (wita­miny C) w oso­czu [8].

Aby prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie należy do dwóch pro­bówek lub innych naczyń wpro­wa­dzić po 5,8cm3 zawie­siny chlo­ro­pla­stów i dodać do każdej z nich 0,2cm3 0,1% roz­tworu 2,6-dich­lo­ro­fe­no­lo­in­do­fe­nolu w takim samym bufo­rze fos­fo­ra­no­wym, jakiego uży­li­śmy do przy­go­to­wa­nia roz­tworu izo­la­cyj­nego. W razie zbyt dużej kon­cen­tra­cji chlo­ro­pla­stów należy poek­s­pe­ry­men­to­wać z roz­cieńcze­niem zawie­siny.

Obie próbki na tym eta­pie mają barwę ciem­no­nie­bie­ską (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Przy­go­to­wane próbki

Jedną z pro­bówek następ­nie wysta­wiamy na świa­tło. Naj­lep­sze w tym celu jest świa­tło sło­neczne, ale w razie potrzeby można je zastąpić sztucz­nym. Ważne jest jed­nak, by w takim wypadku żarówka nie ogrze­wała zbyt­nio układu reak­cyj­nego. Druga pro­bówka powinna nato­miast zostać dokład­nie zabez­pie­czona przed świa­tłem – np. przez owi­nięcie spo­żyw­czą folią alu­mi­niową.

Obser­wa­cję próbki wysta­wio­nej na świa­tło sło­neczne warto pro­wa­dzić w cza­sie rze­czy­wi­stym. Efekt przed­sta­wia Fot.6.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Wpływ świa­tła sło­necz­nego na próbkę; A – 0 min. (moment wysta­wie­nia na świa­tło sło­neczne), B - 2 min., C – 4 min., D - 6 min., E – 8 min., F – 10 min.

Jak widać, po eks­po­zy­cji na świa­tło dosyć szybko doszło do całk­o­wi­tego zaniku nie­bie­skiej barwy 2,6-dich­lo­ro­fe­no­lo­in­do­fe­nolu, dzięki czemu ponow­nie można obser­wo­wać zie­lony kolor chlo­ro­filu zawar­tego w chlo­ro­pla­stach.

Po zaniku barwy próbki naświe­tla­nej należy ją porów­nać z drugą, pozo­sta­wioną w ciem­no­ści (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Wynik doświad­cze­nia; po lewej – próbka naświe­tlana, B – próbka prze­cho­wy­wana w ciem­no­ści

Możemy zaob­ser­wo­wać, że odbar­wie­niu ule­gła jedy­nie ta próbka, która była wysta­wiona na dzia­ła­nie pro­mieni sło­necz­nych. Upraw­niony jest więc wnio­sek, że do zmiany barwy docho­dzi tutaj w reak­cji na świa­tło.

Przed­sta­wiona reak­cja jest cie­kawa, a jej efekt wyraźnie dostrze­galny. Zdaję sobie jed­nak sprawę, że wyko­rzy­stany w niej wskaźnik redoks może być trudny do zdo­by­cia, dla­tego poni­żej przed­sta­wiam uprosz­czoną wer­sję z wyko­rzy­sta­niem bar­dziej dostęp­nych sub­stan­cji.

Sztuczna foto­syn­teza - wer­sja II

W tym przy­padku zamiast 2,6-dich­lo­ro­fe­no­lo­in­do­fe­nolu zasto­su­jemy hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) potasu K3[Fe(CN)6]. Jest to związek kom­plek­sowy, więc wcho­dzący w jego skład anion składa się z żelaza(III) Fe3+ wraz z sze­ścioma gru­pami cyjan­ko­wymi CN-. Struk­turę tego anionu przed­sta­wia Rys.2.

Ilustracja
Rys.2 – Anion hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­nowy(III)

Patrząc jedy­nie na wzory che­miczne oma­wiany związek jest łatwo pomy­lić z hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­nem(II) potasu K4[Fe(CN)6]. Na szczęscie obie sub­stan­cje można roz­różnić gołym okiem, ponie­waż o ile hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(II) ma barwę żółtą, to potrzebny nam hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) two­rzy krysz­tały o pięk­nej czer­wo­nej bar­wie (Fot.8).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Krysz­tały hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(III) potasu

Tutaj ostrze­że­nie: sam hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) nie jest tok­syczny, ale w kon­tak­cie tej sub­stan­cji z kwa­sami może docho­dzić do wydzie­la­nia sil­nie tru­jących gazów, np. cyja­no­wo­doru HCN! Trzeba o tym pamiętać także przy sprząta­niu po doświad­cze­niu.

Potrzebny nam jest bar­dzo sil­nie roz­cieńczony roz­twór omówio­nej powy­żej soli. Do 100cm3 wody wystar­czy dodać dosłow­nie kilka krysz­tałków hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(III) wiel­ko­ści zia­re­nek maku by uzy­skać wyma­gane stęże­nie. Taki roz­twór ma barwę żółto-poma­rańczową (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Roz­twór hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(III) potasu

Dalej postępu­jemy podob­nie jak w poprzed­niej wer­sji doświad­cze­nia, tj. do dwóch pro­bówek prze­no­simy po kilka cen­ty­me­trów sze­ścien­nych zawie­siny chlo­ro­pla­stów, a następ­nie doda­jemy nie­wielką objętość roz­tworu hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(III) i mie­szamy. Jedną z pro­bówek umiesz­czamy w ciem­no­ści (np. przez owi­nięcie folią alu­mi­niową), zaś drugą na świe­tle (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Próbki zawie­siny chlo­ro­pla­stów z dodat­kiem soli kom­plek­so­wej

Zau­ważmy, że sil­nie roz­cieńczony roz­twór soli nie wpły­nął w żaden spo­sób na barwę próbki.

Efekt doświad­cze­nia można zoba­czyć na Fot.11. Na świa­tło wysta­wiono także kon­trolną próbkę zawie­siny chlo­ro­filu nie zawie­ra­jącą dodatku soli kom­plek­so­wej – w jej przy­padku nawet po kilku godzi­nach naświe­tla­nia nie zau­wa­żono więk­szych zmian (Fot.11A). Cza­sem jed­nak w tym przy­padku udaje się zaob­ser­wo­wać nie­wielką ilość pow­sta­jących pęche­rzy­ków gazu.

Próbki zawie­ra­jące sól kom­plek­sową mają nieco inny wygląd. W obu doszło do nor­mal­nego w tym przy­padku wytrące­nia kłacz­ko­wa­tego osadu zawie­ra­jącego wyi­zo­lo­wane chlo­ro­pla­sty – zja­wi­sko to może być spo­wo­do­wane wyko­rzy­sta­niem zbyt stężo­nego roz­tworu bufo­ro­wego, ale zwy­kle nie przesz­ka­dza w obser­wa­cjach (w razie potrzeby warto doświad­czal­nie dobrać stęże­nia roz­two­rów). W próbce naświe­tla­nej już po kilku, kil­ku­na­stu minu­tach można zaob­ser­wo­wać wydzie­la­nie spo­rych ilo­ści jakie­goś gazu – for­muje on łatwe do zau­wa­że­nia pęche­rzyki (Fot.11B). Nato­miast próbka prze­cho­wy­wana w ciem­no­ści nie wyka­zuje jakich­kol­wiek oznak wydzie­la­nia się gazu (Fot.11C).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Wynik doświad­cze­nia; A – próbka bez dodatku hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(III) potasu (na świe­tle), B – próbka z dodat­kiem hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(III) potasu (na świe­tle), C – próbka z dodat­kiem hek­sa­cy­ja­no­że­la­zianu(III) potasu (w ciem­no­ści)

Zaty­ka­jąc pro­bówkę B kor­kiem z ela­styczną rurką można zebrać pow­sta­jący gaz, naj­le­piej poprzez wypie­ra­nie wody z kolej­nej pro­bówki. Próba z tlącym się łuczyw­kiem pozwala na iden­ty­fi­ka­cję – drewno roz­pala się jasno, możemy więc stwier­dzić, że bada­nym gazem jest tlen.

Wyja­śnie­nie

Chlo­ro­pla­sty jako orga­nelle auto­no­miczne są oto­czone dwiema bło­nami, osła­nia­jącymi stromę wypełn­ia­jącą ich wnętrze. Posia­dają też wła­sny mate­riał gene­tyczny w for­mie zamk­niętej koli­stej nici. Błona zew­nętrzna dobrze prze­pusz­cza jony. Wew­nętrzna nato­miast jest słabo prze­pusz­czalna i two­rzy liczne struk­tury nazy­wane tyla­ko­i­dami, które są uło­żone w pła­skie stosy (tyla­ko­idy gran).

Foto­syn­tezę można podzie­lić na dwa etapy: fazę jasną i ciemną.

Faza jasna zacho­dzi w bło­nach tyla­ko­i­dów i jak sama nazwa wska­zuje wymaga dostępu świa­tła. Ma ona na celu prze­ksz­tałc­e­nie ener­gii pro­mie­ni­stej świa­tła widzial­nego w formę ener­gii wiązań związ­ków che­micz­nych: ade­no­zyno-5′-tri­fos­fo­ranu C10H16N5O13P3 (ATP) i zre­du­ko­wa­nego estru fos­fo­ra­no­wego dinu­kle­o­tydu niko­ty­no­a­mi­do­a­de­ni­no­wego C21H27N7O14P2 (NADPH).

Ener­gia świa­tła wyko­rzy­sty­wana jest do prze­no­sze­nia elek­tro­nów oder­wa­nych od cząsteczki wody. Kom­pleks enzy­ma­tyczny roz­kła­da­jący wodę (ang. Oxy­gen Evo­lving Com­plex, OEC) zawiera w swo­jej struk­tu­rze jony man­ganu oraz wap­nia. Pozy­skane w ten spo­sób elek­trony są następ­nie tran­s­por­to­wane przez wie­lo­e­ta­powy sys­tem spe­cja­li­zo­wa­nych prze­no­śni­ków na będącą ich osta­tecz­nym akcep­to­rem utle­nioną formę formę NADP+. W efek­cie pow­staje cząsteczka NADPH. W tran­s­por­cie elek­tro­nów biorą udział trwale związane z błoną kom­pleksy białk­owo-lipi­dowo-barw­ni­kowe: foto­u­kład I (PS I, dzia­ła­jący z mak­sy­malną wydaj­no­ścią przy dłu­go­ści fali rów­nej 700nm), foto­u­kład II (PS II, mak­sy­malna wydaj­ność przy 680nm) i kom­pleks cyto­ch­ro­mowy b6f. Wyma­gane są także ruch­liwe prze­kaźn­iki elek­tro­nów: pla­sto­chi­non C53H80O2 i nie­wiel­kie, zawie­ra­jące w swej struk­tu­rze miedź białko pla­sto­cy­ja­nina.

Przed­sta­wione tutaj pro­cesy pro­wa­dzą jed­no­cze­śnie do wytwo­rze­nia trans­bło­no­wego gra­dientu stęże­nia jonów wodo­ro­wych, co jest wyko­rzy­sty­wane jako siła napędowa dla enzymu syn­tazy ATP, wytwa­rza­jącej ten związek z cząste­czek ade­no­zyno-5′-difos­fo­ranu C10H15N5O10P2 (ADP) i reszt fos­fo­ra­no­wych.

Wła­ściwą rolę barw­ni­ków foto­syn­te­tycz­nych pełnią oczy­wi­ście związki z grupy chlo­ro­fili. Ich zdol­ność do ule­ga­nia wzbu­dze­niu w wyniku aktu poch­ło­nięcia ener­gii świetl­nej można łatwo zade­mon­stro­wać oświe­tla­jąc ace­to­nowy wyciąg chlo­ro­fili świa­tłem o wyso­kiej ener­gii, np. ultra­fio­le­to­wym. Ener­gia wzbu­dze­nia jest wtedy odda­wana do śro­do­wi­ska w postaci świa­tła o pięk­nej czer­wo­nej bar­wie (Fot.12).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Flu­o­re­scen­cja chlo­ro­filu po oświe­tle­niu nie­bie­skim lase­rem półp­rze­wod­ni­ko­wym

Faza ciemna foto­syn­tezy nie wymaga obec­no­ści świa­tła. Jest ona nazy­wana też cyklem Calvina-Ben­sona i zacho­dzi w stro­mie chlo­ro­pla­stów. Ener­gia zgro­ma­dzona w postaci puli cząste­czek wyso­ko­e­ner­ge­tycz­nych związ­ków che­micz­nych ATP i NADPH jest wyko­rzy­sty­wana do prze­ksz­tałc­e­nia dwu­tlenku węgla CO2 do pro­stych związ­ków orga­nicz­nych. Następuje to poprzez przy­łącze­nie dwu­tlenku do rybu­lozo-1,5-bis­fos­fo­ranu C5H12O11P2. W toku dal­szych prze­mian pow­staje alde­hyd 3-fos­fo­gli­ce­ry­nowy C3H7O6P , a następ­nie glu­koza będąca osta­tecz­nym pro­duk­tem. Jed­no­cze­śnie odtwa­rzany jest rybu­lozo-1,5-bis­fos­fo­ran konieczny do związa­nia kolej­nych cząste­czek dwu­tlenku węgla i zamk­nięcia cyklu [9].

Zau­ważmy, że faza jasna foto­syn­tezy nie mogłaby zacho­dzić w razie braku obec­no­ści osta­tecz­nego akcep­tora elek­tro­nów odry­wa­nych od wody. W warun­kach fizjo­lo­gicz­nych rolę tę pełni NADP, ule­ga­jąc tym samym reduk­cji do NADPH.

W reak­cji Hilla wyi­zo­lo­wane chlo­ro­pla­sty pro­wa­dzą foto­syn­tezę w obec­no­ści sztucz­nego akcep­tora elek­tro­nów, jakim jest np. 2,6-dich­lo­ro­fe­no­lo­in­do­fe­nol. W takim przy­padku prze­nie­sie­nie na jego cząsteczki elek­tro­nów (a więc reduk­cja) powo­duje zanik barwy roz­tworu. Mamy więc do czy­nie­nia z wie­lo­e­ta­pową reak­cją redoks, której niek­tóre kroki zacho­dzą dzięki dostar­cze­niu ener­gii na spo­sób świa­tła.

W przy­padku dru­giej wer­sji doświad­cze­nia sztucz­nym akcep­to­rem elek­tro­nów jest kom­plek­sowy jon hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­nowy(III) [Fe(CN)6]3-, który ulega reduk­cji do hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­no­wego(II) [Fe(CN)6]4-. Co prawda nie mogli­śmy tutaj zau­wa­żyć żad­nej zmiany barwy, ale pamiętajmy skąd pocho­dzą prze­no­szone elek­trony. Są one odry­wane od wody, czego skut­kiem ubocz­nym jest pow­sta­wa­nie cząste­czek tlenu O2, co zostało przez nas zaob­ser­wo­wane [10].

Reak­cja Hilla dowo­dzi, że tlen uwal­niany w pro­ce­sie foto­syn­tezy nie pocho­dzi z asy­mi­lo­wa­nego dwu­tlenku węgla, lecz z roz­kła­da­nej wody, ponie­waż odbar­wie­nie 2,6-dich­lo­ro­fe­no­lo­in­do­fe­nolu zacho­dzi nawet w razie całk­o­wi­tego braku dwu­tlenku węgla w ukła­dzie. Chlo­ro­pla­sty są więc w takich warun­kach dalej zdolne do roz­kładu wody, uwal­nia­nia tlenu i reduk­cji natu­ral­nych lub sztucz­nych akcep­to­rów elek­tro­nów, ale nie do wytwa­rza­nia glu­kozy.

W ten sto­sun­kowo pro­sty spo­sób udało nam się wnik­nąć w mole­ku­larne pod­stawy tak ważn­ego dla życia pro­cesu, jakim jest foto­syn­teza.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa