Capitolul V Fotosinteza

Tema 1. Rolul fotosintezei şi adaptările plantei pentru realizarea acestui proces

1. Importanţa fotosintezei şi rolul cosmic al plantelor verzi.2. Frunza ca organ al fotosintezei3. Ultrastructura şi rolul cloroplastelor în fotosinteză4. Pigmenţii fotosintetici

≡ 1 ≡

Fotosinteza este procesul prin care energia luminoasă este absorbită de moleculele de clorofilă şi transformată în energie chimică potenţială a substanţelor organice, formate din dioxidul de carbon şi apă. Acest proces include un număr mare de reacţii, însă sumar, pentru organismele autotrofe produ cătoare de oxigen, poate fi exprimat prin următoarea ecuaţie:

6CO2 + 6H2O + 673,8 kcal = C6H12O6 + 6O2

Conform acestei ecuaţii, rezultatul sumar al fotosintezei este fixarea dependentă de lumină a CO2 cu reducerea lui pînă la hidraţi de carbon şi oxidarea H2O până la O2. Formarea de oxigen însă nu este o proprietate caracteristică tuturor organismelor fotosintetice. Unele bacterii fotosintetice utilizează în calitate de donor de hidrogen alte substante neorganice (sulfură de hidrogen, tiosulfit etc.) sau organice (acid lactic, izopropanol). De exemplu, bacteriile de sulf verzi utilizează sulfura de hidrogen. În acest caz ecuaţia sumară a fotosintezei este urmatoarea:

hv CO2 + 2H2S → [CH2O]n + H2O + 2S

sau În formă generală: hv CO2+2H2A → [CH2O]n + H2O + 2A

unde H2A este substratul oxidat (donorul de hidrogen).

În procesul fotosintezei, În afară de dioxidul de carbon care este principalul acceptor de ioni de hidro -gen la organismele fotosintetice autotrofe, se poate reduce sulfatul sau azotul, formându-se hidrogen. Astfel, procesul de fotosinteză la diverse organisme fotosintetice poate avea loc cu participarea diferi tor donori şi acceptori de ioni de hidrogen.

Apariţia plantelor verzi cu capacitate de fotosinteză (cca 2 mld de ani în urmă) a marcat un salt cali -tiItiv în evoluţia vieţii pe Pământ. Organismele fotosintetizante, şi prin ele toate fiinţele vii, au căpătat acces la o sursă de electroni practic inepuizabilă şi permanent în reînnoire, care participă la toate procesele bioenergetice - apa, ceea ce a şi determinat desfăşurarea fotosintezei în proporţii mari, asigurând pătrunderea şi transformarea energiei în biosferă.

Organismele eucariote (plantele superioare verzi şi algele eucariote) şi cele procariote (bacteriile fotosintetice şi algele cianofite) îşi procură energia necesară direct din energia solară, care, fiind captată este transformată în energie chimică potenţială. Prin această particularitate fotosinteza poate fi considerată un fenomen de natură cosmică, reprezentînd singurul mijloc prin care energia de la un alt corp ceresc se fixează şi se depozitează pe Terra, sub formă de biomasă utilizată ulterior în toate procesele vitale ale organismelor vegetale şi animale. Rolul cosmic al plantelor verzi a fost pe larg descris şi argumentat de către savantul rus K.A. Timireazev, care pentru prima dată a formulat ideea potrivit căreia grăunciorul verde de clorofilă este acel punct din spaţiul terestru unde, în prezenţa energiei solare, îşi au începutul toate manifestă rile vieţii pe Pământ.

Fotosinteza asigură existenţa vieţii prin purificarea continuă a atmosferei. Oxigenul eliberat în acest proces fiziologic reînnoieşte zilnic rezervele sale din atmosferă, menţinându-Ie în limite optime pentru respiraţie. Anual, plantele verzi eliberează în mediul extern 460 mld tone de oxigen, reprezentând unica sursă naturală de oxigen.

Fotosinteza reprezintă, de asemenea, sursa primară de formare a întregii cantităţi de substanţe or-ganice: glucide, lipide, vitamine, proteine, hormoni, glicozide, taninuri etc. Aceşti compuşi sintetizaţi de plante pentru necesităţile proprii servesc ulterior drept sursă principală de existenţă şi de dezvoltare a tuturor organismelor vii.

Fotosinteza constituie veriga principală a circuitului energiei şi substanţelor în natură Fotosinteza, fiind cel mai complicat proces biologic fundamental, rămâne a fi în continuare un subiect de cercetare pentru biologi, fizicieni, chimişti, matematicieni etc. Cunoaşterea mecanismelor moleculare ale fotosintezei are o importanţă considerabilă în rezolvarea multor probleme industrial economice ce ţin de utilizarea sursei de energie ecologic pură, practic inepuizabilă - radiaţia solară (de ex. obţinerea oxigenului şi hidrogenului molecular prin fotooxidarea apei), sporirea productivităţii fotosintetice a plantelor, asigurarea expediţiilor cosmice de lungă durată cu materie organică şi oxigen molecular etc.

≡ 2 ≡

Fotosinteza se desfăşoară în toate celulele plantelor care conţin pigmenţi verzi (frunze, ramuri, tulpini tinere, sepale, fructe necoapte), însă organul specializat pentru îndeplinirea acestei funcţii este frunza, care prezintă unele caracteristici formate într-un lung proces de adaptare şi perfecţionare:

. suprafaţă mare, aplatisată, adaptată absorbţiei unei cantităţi mari de energie luminoasă şi CO2 din atmosferă;

. epiderma prevăzută cu stomate prin care se realizează schimbul de gaze şi transpiraţia. În funcţie de poziţia stomatelor se deosebesc plante amfistomatice (cu stomate prezente pe ambele părţi ale frunzei) şi plante epistomatice (cu stomate situate doar pe o parte a frunzei);

. structură bifacială, parenchimul asimilator fiind diferenţiat în parenchim palisadic cu rol fotosintetic şi lacunar, cu rol în schimbul gazos. În ramurile tinere, în seminţe şi fructe nemature, celulele asimilatoare cu cloroplaste se găsesc în straturile parenchimatice situate sub epidermă. Spaţiile intercelulare sunt foarte mici, condiţionând o absorbţie redusă a CO2 din mediul extern comparativ cu frunzele verzi;

. prezenţa fasciculelor Iibero-Iemnoase care asigură transportul apei şi substanţelor minerale spre celulele mezofilului şi al sevei spre toate organele plantei;

. prezenţa unor organite speciaIizate în fotosinteză - cloroplastele,

Pe parcursul evoluţiei frunzele s-au modificat, generând o diversitate mare, determinată de acumularea particularităţilor de structură ce participă la asimilarea carbonului, Însă unele plante de provenienţă tropicală şi subtropicală (porumbul, trestia-de-zahăr, meiul etc.) au frunze cu o structură anatomică deosebită de frunzele plantelor din climatul temperat (cca 300 000 specii de plante), adaptate pentru realizarea fotosintezei în anumite condiţii de mediu. Frunzele acestor specii sunt bine vascularizate, mezofilul este omogen (nu este divizat în douăstraturi) şi are cloroplaste cu grane bine evidenţiate, iar în jurul vaselor conducătoare celulele parenchimatice sunt situate într-un strat compact, formând o teacă din ţesut asimilator perivascular cu cloroplaste mari agranare. Celulele tecii perivasculare sunt separate de ce-lulele mezofilului şi de aerul din spaţiile intercelulare printr-o lamelă rezistentă la difuzia dioxidului de carbon.

Modificările adaptive dezvoltate pentru îndeplinirea funcţiei de fotosinteză au decurs, pe de o parte, în direcţia asigurării unor condiţii optime pentru absorbţia intensă a radiaţiei solare, iar pe de alta, în direcţia protecţiei de fotooxidare, care poate fi cauzată de radiaţia din spectrul vizibil şi ultraviolet. În funcţie de condiţiile de mediu, se modifică dimensiunile celulelor, morfologia ţesutului asimilator, conţinutul şi raportul pigmenţilor de bază (clorofila şi carotenoidele), făcând posibilă fotosinteza atât la o radiaţie puternică (pentru unele specii montane şi de deşert), cât şi la o iluminare slabă (pentru speciile tropicale). La unele specii, celulele epidermei superioare a frunzelor, datorită formei lor, pot focaliza lumina, mărindu-i intensitatea de 15-20 de ori.

Frunzele plantelor din zonele însorite au o suprafaţă mică, grosime mare, un număr mai mare de stomate, celule palisadice lungi cu cloroplaste ce conţin mai puţină clorofilă, dar care asimilează mai eficient carbonul. O altă măsură de protecţie a structurilor celulare faţă de radiaţia optică constă în sinteza pigmenţilor auxiliari cu acţiune de fotoprotecţie. Astfel de substanţe sunt antocienii, al căror conţinut este mare în plantele tinere şi bătrâne şi care deseori se formează în plantă ca răspuns la acţiunea intensităţii înalte a luminii vizibile, radiaţiei ultraviolete, temperaturii joase şi înalte sau a altor factori stresanţi. Aceşti pigmenţi roşii sunt localizaţi în celulele epidermei superioare şi asigură o ecranizare eficientă în regiunea verde a spectrului în care frunzele sunt, în mare măsură, transparente. Sub acţiunea radiaţiei ultraviolete se induce sinteza unor compuşi fenolici, care se acumulează în cuticulă şi celulele epidermei, asigurând absorbţia razelor ultraviolete, negative pentru plante.

Alţi compuşi cu rol de fotoprotecţie a structurii ţesutului foliar sunt carotenoidele, care În concentraţii mici asigură o absorbţie puternică în zona indigo-albastră şi blochează procesele fotodistructive. Sinteza acestora este activată înainte de perioada repausului vegetativ la copacii cu frunza căzătoare sau de secetă la speciile tropicale, perioadă în care are loc distrugerea aparatului fotosintetic şi planta este expusă în mare măsură stresului fotooxidativ, determinat de intensitatea mare a luminii solare.

≡ 3 ≡

Cloroplastele, organite specializate în realizarea fotosintezei, reprezintă microstructuri de 5-10 μm în lungime şi 2-3 μm în diametru, de formă sferică, ovală, discoidală sau elipsoidală. La majoritatea plantelor verzi predomină forma elipsoidală a cloroplastelor, care s-a dovedit cea mai raţională, desăvârşindu-se în procesul evoluţiei lumii vegetale.

Numărul de cloroplaste variază între 20 şi 100/celuIă, în funcţie de specie, condiţii de mediu, ţesut foliar. În celulă plastidele se află în continuă mişcare - pasivă, împreună cu curentul de citoplasmă, sau activă, cu utilizare de energie, determinată de intensitatea luminii şi de alţi factori.

Structura cloroplastelor. Substanţa fundamentală a cloroplastelor, numită stromă, este delimitată la exterior de o membrană dublă Iipoproteică (10-30 nm în grosime), prevăzută cu un număr mare de pori, care au o suprafaţă de 30-40 nm2.

Membrana internă, lipsită de pori, este mai puţin permeabilă comparativ cu cea externă, dar poate fi străbătută de molecule de trioze (glucide cu 3 atomi de carbon) şi aminoacizi. Ea formează pliuri (invaginări) pe direcţia axului longitudinal al cloroplastului, numite -tilacoide, asemănătoare cristelor de mitocondrii ce străbat cloroplastul de la un capăt la altul- tilacoide de stromă, sau care unesc aşa-numitele grane (de la granum "grăuncior,,), alcătuite din formaţiuni sub formă de discuri supra puse - tilacoide de grană

Numărul granelor în cloroplastă şi numărul tilacoidelor în grană variază în limite mari. Se consideră că un cloroplast conţine aproximativ 40-100 de grane, iar suprafaţa totală a tilacoidelor este de 500 de ori mai mare comparativ cu suprafaţa membranei externe - particularitate considerată a fi o adaptare pentru asimilaţia clorofiliană a carbonului în condiţiile unei concentraţii scăzute (0,03%) a dioxidului de carbon din atmosferă.

Cloroplastele unor plante superioare, ca şi cele ale algelor, sunt lipsite de grane, lamelele fiind unite În pachete a câte 2-8.

Se deosebesc cloroplaste:

granare, care conţin tilacoide de grană şi de stromă caracteristice pentru toate plantele superioare;

agranare, care conţin numai tilacoide de stromă - caracteristice pentru alge şi pentru celulele tecii perivasculare la plantele cu fotosinteză de tip C4.

Conform rezultatelor microscopiei electronice, tilacoidele din grane şi stromă conţin un număr mare de formaţiuni sferice lipoproteice numite cuantozomi sau unităti fotosintetice, alcătuite din pigmenţi şi componente ale Lanţului Transportator de electroni (LTE) şi de fosforilare a ADP-ului conjugată cu acest transport.

Aproximativ 50% din proteinele care participă la formarea complexelor LTE (40 de proteine) sunt codificate de ADN-ul din cloroplaste, restul - de ADN-ul nuclear, care, fiind sintetizate în citoplasmă, pătrund în cloroplaste, unde formează cu proteine specifice complexe proteice funcţional active asamblate şi distribuite orientat în membrana tilacoidală.

Un alt exemplu de reglare a aparatului fotosintetic de către genomul nuclear reprezintă sinteza enzimei-cheie din faza de întuneric (ciclul Calvin-Benson) - ribulozo-1,5-difosfatcarboxilaza. Enzima funcţional activă este formată din 8 subunităţi mici şi 8 subunităţi mari. Subunitaţile mari sînt codificate de AND-ul din cloroplaste, iar cele mici de AND-ul din nucleu. Biosinteza proteinelor codificate de AND-ul cloroplastic are loc în stromă, în care sînt prezenţi ribozomi de tip procariot (70S).

În tilacoidele stromei sînt localizate fotosistemul I (FS I) şi ATP-aza, iar în tilaoidele granare – Fotosistemul II (FS II) şi pompele de protoni. În stroma cloroplastelor se desfăşoară reacţiile fazei de întuneric a fotosintezei, iar pe membranele tilacoizilor au loc reacţiile fazei de lumină a fotosintezei.

Originea cloroplastelor. Cloroplastele apar în celulele vegetale de la niste formaţiuni specific numite proplastide. Proplastidele sînt nişte vezicule bimembranare, incolore cu diametru de 0,5-1,5 μm, care nu au sistemul de membrane interne bine dezvoltat.

Citoplasma celulei mamă conţine cîteva proplastide careîn timpul diviziunii trec în celulele fiice, unde îşi măresc numărul prin diviziune. Astfel caracterele determinate de AND-ul cloroplastic se transmit doar pe linie maternă de oarece gameţii masculini nu conţin proplastide. Din proplastide se formează toate celelate tipuri de plastid (leucoplaste,cloroplaste, cromoplaste)

Odată cu creşterea celulei proplastidele se măresc, membrana internă creşte mai intens, formând vezicule (tilacoide), care se situează paralel, străbătând toată stroma. Acest proces este însoţit de biosinteza şi includerea în membrane a lipidelor, proteinelor şi a clorofilei. La întuneric, din proplastide se formează etioplaste, care au o structură internă asemănătoare cu o reţea cristalică. Expunerea la lumină a ţesuturilor etiolate determină reorganizarea structurii specifice a etioplastului într-o structură membranară internă caracteristică cloroplastului.

Sub influenţa unor factori de mediu, în funcţie de faza de dezvoltare şi de organ, cloroplastele se pot transforma în etioplaste, amiloplaste - plastide cu rol de depozitare (amidon) - şi în cromoplaste, care se formează toamna în frunze şi în unele fructe şi flori în timpul maturării acestora, conferindu-le culoare galbenă-oranj, determinată de pigmenţii carotenoizi pe care îi conţin.

Diferenţierea plastidelor din proplastidă în cloroplast verde fotosintetizant, în amiloplast alb care conţine amidon sau în cromoplast galben-oranj plin cu carotenoide şi transformarea viceversa a acestora este reglată de către ADN-ul propriu (cloroplastic) şi interacţiunea nucleu-citoplasmă.

Studiul mecanismelor moleculare de diferenţiere şi transformare a plastidelor prezintă interes pentru biologia moleculară contemporană, deoarece cunoaşterea lor permite să se înţeleagă mai bine sistemele de semnalizare care asigură funcţionarea coordonată a genomului nuclear şi cloroplastic în celula vegetală.

≡ 4 ≡

Absorbţia selectivă a razelor solare din regiunea vizibilă a spectrului de 400-700 nm cu o energie suficientă pentru realizarea fotosintezei este particularitatea caracteristică a unor compuşi organici - pigmenţii, care au în structura lor grupări cromofore şi sisteme de legături conjugate. Pigmenţii plastidelor variază în funcţie de compoziţia chimică şi sunt clasificaţi în trei grupe: clorofilele, carotenoidele şi ficobilinele.

Pigmenţii clorofilieni sunt prezenţi în plantele superioare şi alge sub patru forme de clorofilă: "a'; "b';"c" şi "d': Toate plantele fotosintetizatoare şi toate grupele de alge şi cianobacteriile conţin clorofila

grupei "a”: Clorofila "b" este caracteristică pentru plantele superioare şi algele verzi. Algele diatomee şi brune conţin clorofila"c”; iar cele roşii - clorofila"d”: Bacteriile fotosintetizatoare conţin diverse bacterio-clorofile

Clorofila este o substanţă complexă format din alcoolul unei hidrocarburi superioare (fitol) şi nucleul porfirinic. Nucleul porfirinic este alcătuit din patru cicluri fiecare avînd, 4 atomi de carbon şi 1atom de azot.şi

care se unesc între ei prin punţi metilice. În centru nucleului porfirinic se află atomul de magneziu. Organizarea în spaţiu a clorofilei are o importanţă mare pentu activitatea ei în procesul fotosintezei.

Nucleul porfirinic - partea hidrofilă a moleculei de clorofilă- este localizat în spaţiul dintre membranele în contact ale tilacoidelor de grane. Radicalul fitolulu este hidrofob şi itegrînduse printre fosfolipidele membranare ale tilaciizilor serveşte ca ancoră pentru nucleul porfirinic.

La plante, clorofila reprezintă un complex lipoproteic în formă monomeră (activă) sau agregată (formă de rezervă) şi doar 3-4% din cantitatea totală se găseşte în stare liberă. Cantitatea acestor pigmenţi în frunze variază în limitele 0,2-0,8% din masa uscată, un conţinut ridicat fiind caracteristic plantelor sciofile (rezistente la umbră). La algele verzi, cantitatea de clorofilă ajunge

până la 3% din greutatea uscată. Raportul dintre clorofila"a" şi “b" în ţesuturile vegetale este de 3:1, dar poate creşte în cazul plantelor heliofile.

Clorofila este în proces continuu de biosinteză şi degradare. Se reînnoieşte permanent, într-un ritm de 40% la 2-3 zile.

Pigmenţii carotenoizi sunt compuşi liposolubili prezenţi în cloroplaste şi în cromoplastele unor părţi ale plantei. În frunzele verzi, ei nu se observă din cauza prezenţei clorofilei. Toamna, când clorofila se distruge, frunzele capătă culoarea galbenă-oranj, determinată de aceşti pigmenţi. Bacteriile şi ciupercile de asemenea conţin carotenoide. Se cunosc cca 400 de pigmenţi din această grupă

Carotenoidele, ca şi clorofilele, sunt legate ne-covalent cu proteinele şi lipidele membranelor fotosintetice. Datorită proprietăţilor lor fizico-chimice, acest grup de pigmenţi îndeplinesc un rol dublu: de absorbţie şi transfer al energiei razelor soIare către pigmenţii clorofilieni şi, în acelaşi timp, de fotoprotecţie. Carotenoidele se sintetizează în cloro- şi cromoplaste începând de la acetil CoA printr-o serie de compuşi intermediari - mevalonat, geranilpirofosfat, Iicopină - care servesc ca predecesori pentru alte tipuri de carotenoide.

Pigmenţii ficobilini fac parte din grupa pigmenţilor biliari (Ia animale, un reprezentant al acestei grupe este bilirubina). Se întâlnesc la unele alge roşii, verzi-albastre, pirofite şi într-o cantitate foarte redusă în cloroplastele plantelor verzi. Din această grupă sunt cunoscute:

Ficoeretrina - C34H47NPS (de culoare roşie) prezentă la algele roşii, verzi-albastre, pirofite;

Ficocianina - C34H42NPg, (de culoare albastră -ciano)prezentă la algele verzi-albastre.

Ficobilinele sunt tetrapiroli, inelele pirolice fiind unite prin grupări metinice şi metilice subformă de lanţ deschis. Ficobilinele sunt grupe cromofore ale ficobiliproteinelor - globuline care, spre deosebire de clorofile, se leagă prin legături covalente. Ficobilicromoproteidele sunt localizate în anumite granule, numite ficobilisome, situate pe suprafaţa externă a lamelelor fotosintetice din celulele algelor. Aceste cromoproteide hidrosolubile îndeplinesc rolul de pigmenţi auxiliari în absorbţia luminii (analogic clorofilei "b" la plante superioare). Aproximativ 90% din energia luminoasă este transmisă corofilei "a”:

Toate plantele conţin un pigment special - fitocromul, al cărui grup prostetic similar ficobilinelor este pigmentul bilinic. Fitocromul reprezintă un fotoreceptor pentru razele roşii, îndeplinind funcţii de reglare a multor procese fiziologice.

Capitolul V Fotosinteza

Tema 2. Mecanismul şi ecologia fotosintezei

1. Mecanismul fotosintezei3. Alte tipuri fotosintetice la plante 4. Factorii care influienţează procesul de fotosinteză

≡ 1 ≡

Deşi de la descoperirea fotosintezei au trecut mai bine de 200 de ani, mecanismul acestui proces a fost elucidat abia în ultimele decenii, pe baza utilizării celor mai înalte descoperiri ale ştiinţei şi tehnicii în domeniul chimiei, biochimiei, biofizicii, microscopiei electronice, în special prin utilizarea izotopilor radioactivi ai carbonuhii, hidrogenului şi oxigenului.

Conform teoriei moderne, mecanismul molecular al fotosintezei, este împărţit în două faze: faza de lumină ( faza R. Hill) şi faza de întuneric (faza Blackman).

În faza de lumină a fotosintezei are loc absorbţia luminii de către molecula de clorofilă „a” cu participarea pigmenţilor ajutători (clorofila „b”, carotenoizi, ficobiline) şi transformarea energieii solare în energie ATP şi NADPH2. Toate aceste procese se realizează în membranele cloroplastelor (tilacoizi de grană şi de stromă).

În faza de întuneric are loc fixarea bioxidului de carbon de către acceptorul primar (ribulozo-1,5- difosfat), cu participarea enzimelor localizate în stroma cloroplastelor şi utilizarea ATP şi NADPH2 produşi în faza de lumină.

Faza de lumină. La plantele superioare faza de lumină se realizează cu participarea a mai multor molecule care formează structuri specifice: Fotosistema I (FSI) , Fotosistema II (FSII), Lanţul Transportator de Electroni (LTE), Complexul ATP-sintetaza.

FSI: Ambele fotositeme sînt alcătuite din antene fotoreceptoare şi centre de reacţie. Antenele fotoreceptoare sunt alcătuite din pigmenţi care au rolul de a recepţiona energia fotonilor din radiaţiile luminoase şi de a o transmite spre centrele de reacţie. Randamentul de transmitere a energiei prin antenele fotoreceptoare este de 95% în cazul clorofilei a şi b şi de numai 40-45% în cazul pigmenţilor carotenoizi. Antena fotoreceptoare a sistemului fotosintetic I (FS I) este alcătuită din 100 molecule de clorofilă a şi b aflate în proporţie de 4/1, câteva molecule de beta - caroten şi 11 polipeptide. Centru de reacţie a FSI este alcătuit din molecule ale clorofilei a700 (în unele surse notat şi P700) În alcătuirea centrului de reacţie a FSI mai pot participa β-carotenul, feridoxina, şi unele proteine transportatoate de electroni (A0 şi A1).

FSII: Antena fotoreceptoare a sistemului fotosintetic II (FSII) cuprinde aproximativ 250 molecule de clorofila a şi b şi numeroase molecule de xantofilă grupate astfel: 10 molecule de clorofilă şi 2-3 molecule de xantofilă legate de câte o moleculă proteică. Centru de reacţie a FS II este alcătuit din molecule ale clorofilei a680 (în unele surse notat şi P680) precum şi din 2 polipeptide denumite D1 şi D2, molecule de plastochinonă şi feofitină, beta-caroten, ioni de mangan, fier, calciu şi clor.

LTE: Între cele două fotosisteme care sînt situate în membranele tilacoizilor se găseşte lanţul transportator de electroni (LTE) alcătuit din complexul citocrom b6 – citocrom f (cit b/f) şi transportatori liberi (plastochinine şi plastocianine, feridoxină) Transportul electronilor între cele două fotosisteme menţionate se realizează cu participarea unor substanţe transportoare de electroni. Transportul electronilor între fotosistemul II şi complexul cit. b/f se realizează cu ajutorul plastochinonelor care se deplasează liber în stratul fosfolipidic, iar legătura dintre complexul cit. b/f este făcută cu participarea plastocianinelor care se deplasează în lungul lumenului tilacoidei.

Complexul ATP-sintetaza: este alcătuit dintr-o polipeptidă care formează un canal ce traversează membrana tilacoidă(Cfo) şi o parte globuloasă situată deasupra membranei spre stromă (CFI). Transportul protonilor prin tiiacoidă, din lumenul acesteia, spre stromă se realizează cu participarea complexului ATP sintetaza, process însoţit de sinteza ATP-ului.

Scema transferului consecutiv a electronilor în faza de lumină în raport cu nivelul energetic al electronilor eliberaţi a fost numită schema “Z” a fotosintezei. Energia cuantelor de lumină este captată de pigmenţii antenelor fotoreceptoare. În urma acestui proces pigmenţii intră într-o fază de excitaţie care se caracterizează prin trecerea unui electron de pe un orbital inferior pe unul superior. Durata fazei de excitaţie este foarte scurtă, după care revin la stadiul iniţial prin transferul energiei de excitaţie unei molecule de pigment învecinate, sau prin eliminarea ei sub formă de căldură sau fluorescenţă. Transferul energiei de excitaţie de la o moleculă de pigment la alta se realizează prin rezonanţă. În felul acesta energia este transportată până la centrele de reacţie ale celor două fotosisteme. Prin recepţia energiei de excitaţie de la antenele receptoare, moleculele de clorofilă din centrele de reacţie intră în faza de excitaţie, expulzând un electron (se oxidează). Durata fazei de excitaţie este scurtă şi moleculele de clorofilă a din centrele de reacţie revin la starea iniţială prin primirea unui electron şi ca urmare se reduc. Clorofila a din centrul de reacţie a fotosistemului I primeşte electronul de la fotosistemul II printr-un lanţ de substanţe transportoare de electroni, iar clorofila a din centrul de reacţie a fotosistemului II primeşte un electron de la apa care se descompune prin fotoliză. Transportul electronilor la complexele menţionate se realizează printr-un lanţ de substanţe transportoare de electroni, care la primirea electronului se reduc, pentru ca imediat să cedeze electronul substanţei următoare, oxidându-se.

Transportul electronilor în faza de lumină a fotosintezei se realizează astfel: excitarea moleculelor de clorofilă a700 din centrul de reacţie al fotosistemului I determină pierderea unui electron care este transportat de acceptorul primar A0 succesiv de la acceptorul A1 apoi în final la feredoxină (FD) care se reduce. Ultima etapă a acestui transport constă în cedarea electronilor de către feredoxina care se oxidează, NADPHului care în prezenţa protonilor formează o substanţă puternic reducătoare NADPH +H+.

Moleculele de clorofilă a700 din centrul de reacţie aI fotdsistemului I, aflat în faza de excitare, revine la starea iniţială, prin primirea unui electron de la fotosistemul II.

Moleculele de clorofilă a680 din centrul de reacţie al fotosistemului II care au fost excitate simultan cu cele ale fotosistemului I de către energia transmisă prin rezonanţă de pigmenţii din antenele fotoreceptoare pierd câte un electron. Electronii sunt transportaţi succesiv de la acceptorul primar feofitina la plastochinone (QA şi QB) până la plastochinona liberă (PQH2) din bistratul Iipidic. Pentru a fi reduse, plastochinonele au nevoie de 2 electroni, precum şi de 2 protoni, care provin din fotoliza apei.

Plastochinona mobilă se deplasează în bistratul lipidic spre lumenul tilacoidei, în care se eliberează cei doi protoni, iar electronii îi cedează complexului cit. b/f. Plastochinona oxidată reface drumul parcurs pentru a efectua un nou transport de protoni şi electroni.

Proteina cu fier şi sulf din complexul cit. b/f preia câte un electron de la plastochinonă, pe care îl cedează celor doi citocromi. Electronii ajunşi la citocromul f sunt cedaţi plastocianinei (PC), în care cupru bivalent este redus la cupru monovalent.

Moleculele de plastocianină se deplasează în lungul tilacoidei, în lumenul acesteia şi transportă câte un electron către fotosistemul I.Prin primirea acestui electron, molecula de clorofila a700 aflată în stare de excitaţie, revine la starea iniţială.

Moleculele de clorofila a680 din centrul de reacţie al fotosistemului II, aflate în faza de excitaţie, revin la starea iniţială după ce primesc un electron de la moleculele de apă care se descompun prin fotoliză.

Fotoliza apei reprezintă. un proces încă nedeplin elucidate, dar se cunoaşte că rolul esenţial în acest proces îl au cei 4 atomi de mangan care intră în compunerea complexului producător de oxigen (CPO). Aceştia pot pierde electroni, realizând diferite niveluri de oxidare:

Mn2+ - e Mn3+ -e Mn4+

Moleculele de clorofilă a680 aflate în faza de excitaţie primesc electroni de la atomii de mangan, revenind la starea iniţială. Ionii de mangan ajunşi la un nivel de oxidare determină descompunerea moleculelor de apă, care eliberează 2 electroni, 2 protoni şi O2

Lumenul tilacoidului A0 2e-

Feofitină QA 4H+ (utilizaţi la sinteza ATP) A1

QB PQH2 FD 2ee NADP+

Conplex 2 H+ NADPH+H+

2e- LTE Citocrom b/f

PC 2e- 2 hν

2 hν (lumină) 4H+ P700

P680 2e CPO H2O stroma FS I

FSII ½O2 + H+

Schema „Z” a fazei de lumină, Legendă: -componentele FS II, - componetele LTE, - componentele FS I, calea parcursă de electroni în fosforilarea ciclică, calea parcursă de electroni în fosforilarea aciclică, QA –QB – plastochinone, PQH2- plastochinona liberă, CPO- complexul producător de oxigen, PC – plastocianină, A0-A1 – acceptori de electroni, P680 –P700 – centri de reacţie, FD- feredoxină

Dispoziţia componentelor schemei „Z” înmembrana tilacoizilor.

Electronii rezultaţi din fotoliza apei sunt preluaţi de atomii de mangan, care se reduc, protonii se acumulează în lumenul tilacoidelor iar oxigenul se degajă în mediul înconjurător.

Doi electroni şi 2 protoni pot reduce o moleculă de NADP+, iar pentru reducerea unui moI de dioxid de carbon sunt necesari doi moli de NADPH+H+. Fotoliza apei generează un aport permanent de protoni, care se acumulează în lumenul tilacoidelor. Ca urmare a faptului că tilacoidele sunt impermeabile pentru protoni, concentraţia acestora ajunge să depăşească de 1.000 de ori pe cea din stromă .

Diferenţa de concentraţie a protonilor din lumenul tilacoidelor şi stroma cloroplastului generează un flux de protoni prin complexul ATP-sintetază. Conform ipotezei chimiosmotice elaborată de Mitchel (1961) energia rezultată din transportul protonilor prin acest complex este utilizată de enzima ATP-sintetază pentru fosforilarea ADP-ului cu fosfor anorganic, rezultând ATP-ul.

Fotofosforilarea reprezintă procesul prin care energia din radiaţiile luminoase este transformată în energie biochimică, care se acumulează în legăturile macroergice ale ATP-ului.

Formarea ATP-ului ca urmare a transportului protonilor prin complexul ATP-sintetază constituie fosforilarea aciclică. În acest caz, fiecărui electron transportat prin lanţul transportor de electroni îi corespunde câte un proton, transportat prin complexul ATPsintetază, rezultând câte un moI de NADPH+H+ şi, respectiv, câte unul de ATP.

Cercetările au dovedit însă că în faza de lumină a fotosintezei se formează mai mult ATP comparativ cu NADPH+H+. Surplusul de ATP se formează în procesul de fosforilare ciclică. În acest caz, o parte din protonii transportaţi prin complexul ATP- sintetază nu sunt utilizaţi în reducerea NADPH-ului, ci efectuează un nou circuit prin tilacoide, fiind transportaţi de plastochinonele mobile. În final trec din nou prin complexul ATP-sintetază, generîndu-se ATP fără a avea loc fotoliza apei. Moleculele de ATP şi NADPH+H + formate în faza de lumină a fotosintezei sunt utilizate în raport de 2/3 în cea de a doua fază a procesului de fotosinteza, faza enzimatică sau de întuneric, în care se biosintetizează primii compuşi organici. Excesul de ATP produs în fotosinteză este utilizat în alte procese care au loc în cloroplaste, aşa cum este sinteza acizilor graşi şi a unor aminoacizi, reducerea nitriţilor etc.

Faza de întuneric (Ciclul Calvin)Această fază a procesului de fotosinteză se desfăşoară în stroma cloroplastelor şi constă în principal

în fixarea dioxidului de carbon de către ribulozo-l,5-difosfat şi formarea acidului fosfogliceric, reducerea acestuia şi regenerarea ribulozo-l,5 difosfatului. Reacţiile care au loc sunt catalizate de enzimele aflate în stromă şi în aceste reacţii este utilizat ATP-ul şi NADPH+H+ - ul, produşi în faza de lumină a fotosintezei. Enzima-cheie a procesului de fotosinteză este ribulozo-l,5 difosfatcarboxilază (Rubisco), care este codificată de genele rbc. În tomate, cartof şi mazăre există 5 gene care codifică biosinteza acestei enzime, în plantele de soia sunt 2 gene, iar în cele de porumb şi tutun există o singură genă rbc. Fixarea dioxidului de carbon a fost studiată cu ajutorul izotopului de 14C folosit de Calvin, precum şi de Basham şi Benson, fiind cunoscută sub denumirea "ciclul Banson, Basham, Calvin". "

Procesul de biosinteză a glucidelor cuprinde trei etape distincte. Etapa de carboxilare în care un compus cu 5 atomi de carbon: ribulozo-1,5-difosfatul fixează o

moleculă de dioxid de carbon şi una de apă. Rezultă un compus intermediar instabil cu 6 atomi de carbon, din care se formează două molecule de acid-3-fosfogliceric. Reacţia de carboxilare a ribulozo-1,5 difosfatului este catalizată de enzima ribulozo-1,5 difosfatcarboxilază, care reprezintă circa 16% din conţinutul de proteină al stomei, şi este cea mai răspîndită enzimă de pe Terra. Deoarece produsul reacţieii de carboxilare este un compus cu 3 atomi de carbon (acidul -3-fosfogliceric) ciclul Calvin se mai numeşte şi C3

Etapa I Carboxilarea

În Etapa de reducere are loc fosforilarea acidului-3-fosfogliceric în prezenţa ATP-ului, şi obţinerea acidului-1,3-difosfogliceric. Acesta este redus la aldeidă fosfoglicerică şi dioxiacetonfosfat în prezenţa unei dehidrogenaze, şi a NADPH+H+ - ului. Atît ATP-ul cît şi NADPH+H+ folosit la ceastă etapă este obţinut în faza de lumină. Cele două substanţe se pot transforma una în alta, prin izomerizare.

În etapa a treia, Etapa de regenerare, din 6 molecule de aldehida fosfoglicerică, una este pusă în libertate, iar 5 molecule sunt folosite pentru regenerarea ribozo-1,5-difosfatului. Din cinci molecule de triozofosfat (aldehida fosfoglicerică) în urma reacţiilor se formează trei molecule de pentozofosfat, care după o fosforilare adăugătoare se transformă în ribulozo-1,5-difosfat şi din nou este gata să fixeze dioxidul de carbon.

Aldehida fosfoglicerică pusă în libertate poate fi utilizată în cloroplast pentru biosinteza glucozei, fructozei, amidonului, a unor aminoacizi etc. Acumularea amidonului în cloroplaste are loc numai la plantele amilofile şi reprezintă o formă temporară de depozitare. Moleculele de aldehidă fosfoglicerică pot traversa membranele cloroplastului şi ajung în citoplasmă, unde se sintetizează hexozele. Prin condensarea a două molecule de aldehidă fosfoglicerică rezultă glucozo-1,6-difosfatul; prin condensarea unei molecule de aldehidă fosfoglicerică cu una de dioxiacetonofosfat, rezultă fructozo-1,6-difosfatul, iar dintr-o moleculă de glucoză şi una de fructoză rezultă zaharoza.

Zaharoza reprezintă principala formă de transport a glucidelor în plante, glucoza şi fructoza constituie substrat pentru procesul de respiraţie, iar compuşii intermediari, rezultaţi din biodegradarea acestora, sunt utilizaţi pentru biosinteza celorlalte substanţe organice din, plante.

Relaţiile biochimice caracteristice pentru faza de întuneric a fotosintezei sunt catalizate de enzime specifice.

Fotorespiraţia: Specialiştii apreciaza că fotorespiratia reprezinta o ironie a procesului de evoluţie a plantelor deoarece constituie un proces de neadaptare, în timp ce alţii consideră că reprezintă o adaptare la desfasurarea fotosintezei în condiţiile unei atmosfere bogate în dioxid de carbon şi sărace în oxigen după Ogren),fotorespiraţia reprezintă o cale de conslum a ATP-ului format în condiţiile unui exces de lumină, iar Lea şi Miflin (1980) apreciaza ca aceasta constituie o cale de reciclare a azotului amoniacal.

Fotosinteza şi fotorespiraţia sunt două procese contrare, care au loc concomitent. Dacă în procesul de fotosinteză se biosintetizează compuşi organic, în fotorespiraţie aceştea sînt biodegradaţi fără producere de energie. Însă după mecanismul biochimic aceasta se deosebeste atît de fotosinteză cît şi de respiraţie. Fotorespiraţia se intensifică la sporirea cantităţii de oxigen şi intensităţii luminii şi la micşorarea cantităţii de CO2. Atît în procesul de fotosinteză cît şi în cel de fotorespiraţie participă aceeaşi enzimă: ribulozo-1,5- difosfatcarboxilaza (Rubisco). Esenţa acestui proces constă în faptul că enzima Rubisco, în anumite condiţii se poate comporta nu doar ca carboxilază (leagă CO2) ci şi ca oxidază (desconpune substratul). Enzima Rubisco poate cataliza descompunerea ribulozo-1,5-difosfatului în o moleculă de acid fosfogliceric şi o moleculă de acid glicolic. Se estimează că fiecare a patra moleculă de Rubisco, leagă în centru activ în loc de CO 2 , o moleculă de O2 şi se comport ca oxidază. Acidul fosfogliceric şi acidul glicolic sînt transportaţi în citoplasmă apoi după unele modificări ajung în peroxizomi unde se transformă în apă oxigenată şi glicină care nimereşte în mitocondrii şi participă la diverse reacţii. Deci fotorespiraţia începe în cloroplaste şi continuă în peroxizomi, citoplasmă şi mitocondrii.

Fotorespiraţia se manifestă mai ales la plantele cu tip fotosintetic C3, care reprezintă majoritatea plantelor din regiunea temperată (peste 300.000 specii). La aceste specii fotorespiraţia reprezintă în medie25-50% din fotosinteza netă.

≡ 2 ≡Mecanismul prezentat anterior pentru procesul de fotosinteză în care primii compuşi organici au 3

atomi de carbon este cunoscut sub denumirea de „tipul fotosintetic C3” şi este specific pentru majoritatea speciilor de plante din zona temperată. Mult timp tipul fotosintetic C3 era considerat unicul valabil pentru toate plantele pînă cînd în anii 60 ai sec. XX, savanţii M.D. Hatch, C.R. Slack, I.S. Karpilov au descoperit la Zea mays (porumb) alt tip fotosintetic numit C4. Ceva mai tîrziu sa identificat şi al treilea tip fotosintetic tipul CAM. Deci în prezent avem trei tipuri fotosintetice cunoscute la plantele superioare: C3, C4, CAM. Tipul C3 a fost deja descris. Deosebirile dintre cele trei căi fotosintetice intervin doar la nivelul fazei de întuneric iar faza de lumină este identică la toate plantele superioare.

Calea Hatch-Slack-Karpilov (C4)Această cale este specifică mai ales pentru plantele din zona tropicală şi subtropicală aride (porumb,

trestia de zahăr, sorgo, mei, în total circa 1000 specii ) La aceste plante ca acceptor primar pentru CO 2

serveşte acidul fosfoenolpiruvic, care conţine o legătură macroiergică datorită căreia este mai reactiv decît ribulozo-1,5-difosfat. Produşii primari, care se formează în urma reducerii CO2, sunt formaţi din patru atomi de carbon, datorită cărui fapt acest tip de asimilare a carbonului a căpătat denumirea de tipul fotosintetic C4. Acest tip fotosintetic este caracteristic pentru mai mult de 1 000 de specii originare din zonele tropicale, adaptate la condiţii de iluminare intensă şi temperaturi ridicate.

Frunza plantelor C4 Frunza plantelor C3

Plantele la care fotosinteza se desfăşoară după ciclul C4 au frunze cu o structură anatomică deosebită (Fig.). Celulele mezofilului au un număr mic de cloroplaste cu rol de fixare a CO2 din aer. Fasciculele vasculare sînt înconjurate de celulele tecii perivasculare, iar celulele tecii perivasculare sunt bogate în cloroplaste mari (agranare) şi au funcţia de realizare a fotosintezei de tip C4. Aceste celule sînt separate de celulele mezofilului şi de aerul din spaţiile intercelulare printr-o lamelă rezistentă la difuzia CO 2. Fixarea dioxidului de carbon are loc în citoplasma celulelor mezofilului frunzei, acceptorul primar este acidul fosfoenolpiruvic care leagă CO 2

rezultând un compus cu patru atomi de carbon - acidul oxaloacetic. În cloroplaste, acidul oxaloacetic în prezenţa NADPH+H+ format în faza de lumină, se reduce la acidul malic (în prezenţa ioni lor de NH4

+ acidul oxaloacetic se poate amina, rezultând acidul aspartic). Malatul (sau aspartatul) prin plasmodesme este transportat din celulele mezofilului în cele ale tecii perivasculare, permeabile pentru acizi organici şi impermeabile pentru CO2, unde eliberează molecula de CO2 şi se transformă în piruvat (acid piruvic). Piruvatul din cloroplastele tecii perivasculare este transportat înapoi în cloroplastele din celulele mezofilului, unde este supus fosforilării în prezenţa ATP-ului, regenerând astfel acceptorul primar - acidul fosfoenolpiruvic (PEP).

În cloroplastele tecii perivasculare, FS II este slab dezvoltată, spre deosebire de FS I. ATP-ul, necesar pentru fixarea CO2, este sintetizat în urma transportului ciclic de electroni, iar NADPH + H + se formează ca produs al decarboxilării oxidative a malatului împreună (concomitent) cu CO2

Fixarea CO2 pe cale C4 are unele avantaje: Enzima fosfoenolpiruvatcarboxilaza are o viteză de reacţie mai mare comparative cu ribulozo-1,5-

difosfatcarboxilaza, fapt care determină acumularea dioxidului de carbon în celulele tecii perivasculare;

Unele specii pot realiza primele etape în care se formează acizii organici noaptea, iar ziua CO2 se eliberează cu reasimilarea ulterioară în ciclul Calvin. Acest fapt permite plantelor să înfăptuiască une le reacţii de asimilare a carbonului ziua, chiar atunci cînd ostiolele sunt închise (În lipsa CO 2 exogen), astfel evitîndu-se eliminarea puternică a apei. Se consideră că astfel de particularităţi stau la baza unei rezistenţe mai mari la secetă a acestui grup de plante;

Acumularea dioxidului de carbon în celulele tecii perivasculare, unde se desfăşoară tipul fotosintetic C4, determină stimularea acestui proces şi concomitent blocarea activităţii de oxidază a ribulozo-1,5-difosfatcarboxilazei, respective a procesului de fotorespiraţie. Astfel, se micşorează consumul inutil al substanţei organice şi se măreşte productivitatea plantelor.

Calea CAM (Crassulacean Acids Metabolism). Plantele din familiile Crassulaceae, Liliaceae, Cactaceae, unele Compozitae, Osteraceae etc (în total peste 250 specii), s-au adaptat la realizarea fotosintezei în regiunile secetoase şi deşerturi. Aceste plante fixează dioxidul de carbon similar plantelor cu fotosinteză de tipul C4, însă pentru ele este caracteristică realizarea fotosintezei în două etape: una în timpul nopţii şi alta ziua.

Ostiolele acestor specii sunt deschise în mare măsură noaptea, iar ziua se închid, minimalizând astfel pierderea apei prin transpiraţie ostiolară. Noaptea, stomatele, fiind deschise, asigură schimbul de gaze. Reacţia de fixare a CO2 de către acidul fosfoenolpiruvic (prima reacţie de carboxilare) are loc în citoplasmă în prezenţa enzimei fosfoenolpiruvatcarboxilazei, rezultând oxalacetatul, care sub acţiunea malat-dehidrogenazei dependentă de NADP+H+ se reduce cu formarea acidului malic, care se acumulează în vacuole. Transportul malatului prin tonoplast este pasiv, conform gradientului electrochimic, generat de acumularea protonilor în vacuolă prin transport activ asigurat de pompele de protoni. Acumularea malatului în vacuolele celulelor determină creşterea acidităţii lor.

Ziua, când stomatele sunt închise, acidul malic difuzează prin tonoplast în citoplasmă, unde este decarboxilat, rezultând acid piruvic şi dioxid de carbon. CO2 este transportat în cloroplaste şi utilizat În reacţiile de sinteză a acidului fosfogliceric pe calea fotosintetică C 3, realizându-se astfel a doua reacţie de carboxilare.

Astfel, mecanismul biochimic de realizare a fotosintezei de tip CAM şi C 4 este identic şi se deosebeşte doar prin izolarea în timp (C4) şi în spaţiu (CAM) a celor două reacţii de carboxilare.

La unele specii cu fotosinteza CAM sau C4, în condiţii favorabile de viaţă (CO2 şi apă), fotosinteza se desfăşoară după tipul fotosintetic C3. Se consideră că variaţiile spaţio-temporale în realizarea fotosintezei au apărut ca adaptări ale plantelor la condiţiile de mediu.

Caracteristica comparativă a tipurilor fotosintetice

Caracteristici C3 C4 CAM

Condiţii climatice Climat temperat Climat tropical Climat deşertic

Grupurile taxonomice Majoritatea plantelor din regiunea temperată

Plante de origine tropical şi subtropicală (Zea, Amaranthus, Atriplex, ş.a)

Euphorbiaceae, Cactaceae, Crassulaceae, Compositae ş.a.

Structura frunzei Parenchim palisadic şi Mezofil şi ţesut Mezofil cu vacuole mari

lacunar perivascularStructura cloroplastelor Normală În teaca perivasculară

cloroplaste fără graneCloroplaste cu puţine grane

Acceptorul primar Ribulozo-1,5-difosfat Acidul fosfoenolpiruvic Acidul fosfoenolpiruvicPrimul rpodus de fixare a CO2

Acidul fosfogliceric Acidul malic, sau oxaloacetic

Acidul oxaloacetic

Consumul pentru 1mol de CO2 fixat

3ATP şi 2 NADPH +H+ 5ATP şi 2 NADPH +H+ 5ATP şi 2 NADPH +H+

Temperatura optimă 15-25oC 25-40 oC 40 oCFotorespiraţia ⅓ din fotosinteza brută Absentă Absent sau foarte micăProductivitatea transpiraţieii (g apă/g sub. uscată)

450-490 3-4 50-55

Intensitatea maximă a fotosintezei(mgCO2/dm2/h)

20-50 50-75 2-10

≡ 3 ≡

lntensitatea procesului de fotosinteză este influenţat de factorii interni şi externi.

Factorii interni :care influenţează procesul de fotosinteză sunt: specia, vârsta frunze lor, poziţia frunzelor pe plantă şi suprafaţa foliară, cantitatea de clorofila, conţinutul de apă al frunzelor, conţinutul de elemente minerale şi cerinţele pentru fotosinteză.

Specia. Intensitatea procesului de fotosinteză variază în funcţie de specie în limite relativ mari. După datele centralizate de Sestak (1985) şi Larcher (1991), intensitatea fotosintezei nete variază între 3 şi 80 mg CO2 /dm2/h. De exemplu: Medicago sativa- 30-40 mg CO2 /dm2/h; Cucurbita pepo-15; Helianthus annus – 31-63; Pisum sativum – 24; Vitis vinifera- 6; Zea mays- 27, Solanim tuberosum -12.

Vîrsta frunzelor. Frunzele tinere au intensitatea procesului de fotosinteză mică, sub punctul de compensaţie pentru dioxidul de carbon ( adică intensitatea acestui proces este mai mici decât procesul de repiraţie). Maximul fotosintetic se înregistrează la cele mai multe specii înainte de încetarea creşterii frunzelor, când acestea au 37-90% din suprafaţa maximă. Astfel, valoarea maximă a fotosintezei nete s-a determinat când frunzele au avut 35-55% din suprafaţa maximă la Solanum, 37% - la Nicotiana, 50-80% - la Helianthus, 70% -la Phoseolus (Sestak, 1985).

Poziţia frunzelor pe plantă şi suprafaţa foliară. sunt factori importanţi ce condiţionează intensitatea procesului de fotosinteză.

Frunzele. cu poziţia orizontală recepţionează cea mai mare parte a radiaţiilor fotosintic active în vârful plantei. Dacă frunzele sunt inclinate faţă de verticală, radiaţiile pătrund şi mai jos în coroană, intensitatea fotosintezei fiind dependentă de acestea.

Totalitatea suprafeţei foliare, raportată la suprafaţa proiecţiei coroanei, reprezintă indicele suprafeţei foliare (LAI). Recepţia corespunzătoare a radiaţiilor este dependentă de valoarea acestui indice. În general, o valoare a indicelui suprafeţei foliare de 3 permite recepţia a 90-95% din radiaţii (cartof, grîu), asigurînd o cantitate suficientă de asimilate pentru obţinerea unei producţii corespunzătoare.

Cantitatea de clorofilă. După Gabrielsen (1948) intensitatea procesului de fotosinteză creşte concomitent cu sporirea conţinutului de clorofilă pînă la circa 400 mg/m2suprafaţă foliară, după care intensitatea acestui proces rămîne constantă.

Conţinutul de apă al frunzelor. Suprasaturarea celulelor cu apă sau deficitul hidric determină închiderea hidropasivă sau hidroactivă a stomatelor, ceea ce inhibă pătrunderea dioxidului de carbon şi conduce la diminuarea intensităţii procesului de fotosinteză. Un deficit de apă de pînă la 15% duce la sporirea intensităţii fotosintezei datorită deschiderii stomatelor. Un deficit mai mare de 15 % diminuiază procesul de fotosinteză deoarece are loc închiderea stomatelor. Relaţiile dintre intensitatea fotosinteză şi gradul de aprovizionare cu apă depinde şi de particularităţile biologice ale speciilor.

Conţinutul frunzelor în elemente minerale. Deficitul în aprovizionarea cu elemente minerale a frunzelor poate să reducă intensitatea procesului de fotosinteză. Astfel, intensitatea acestui proces scade în cazul carenţei de azot, fosfor, sulf şi magneziu. Multe din elementele minerale întră în compoziţia unor compuşi organic implicaţi în fotosinteză sau servesc ca cofactori pentru enzimele fotosintetice.

Cerinţele pentru fotosinteză. Reducerea cerinţelor pentru produsele fotosintezei, prin înlăturarea tuberculilor, în perioada de creştere, la plantele de Solanum tuberosum conduce la diminuarea intensităţiiprocesului de fotosinteză. Cauza o constituie acumularea produselor fotosintezei în cloroplaste. În situaţia inversă, când frunzele se găsesc în apropierea fructelor, intensitatea procesului de fotosinteză este stimulată, ca urmare a creşterii cerinţelor pentru produsele fotosintezei.

Factorii externi care influenţează intensitatea procesului de fotosinteză sunt: lumina, temperatura, concentraţia de dioxid de carbon şi nutriţia minerală.

Lumina. Influenţa acestui factor se manifestă prin intermediul enzimelor şi al modificării pH-ului. Lumina activează enzima ribulozo-1,5-difosfatcarboxilază, şi alte enzime ale fotosintezei. În cazul ribulozo-1,5-difosfat carboxilazei activarea la lumină se realizează pe mai multe căi. Una dintre acestea o constituie modificarea pH-ului stromei cloroplastului la valoarea 8, ca urmare a transportului protonilor în lumenul tilacoidelor. Activitatea acestei enzime este mult mărită la această valoare a pH-ului. În cazul celorlalte enzime, mecanismul de activare este indirect. Lumina este recepţionată de cele două fotosisteme, care determină transportul electronilor până la feredoxină. Aceasta cedează câte un electronunei proteine, care se reduce, stimulând astfel activitatea enzimatică prin modificarea structurii acestora, în urma reducerii grupărilor disulfid (S-S).

Intensitatea luminii este unul din factorii care determină nivelul fotosintezei. Iniţierea acestui proces are loc la intensităţi luminoase mici: 0,05W/m2 pentru plantele sciatofile şi O,5W/m2 pentru cele heliofile. Punctul de compensare reprezintă intensitatea luminoasă la care fotosinteza şi respiraţia se află în echilibru. Valoarea intensităţii luminoase la punctul de compensaţie este de 0,5 W/m2 pentru plantele sciatofile şi 5,5W/m2 pentru cele heliofile. Creşterea intensităţii luminoase până Ia 50W/m2 pentru plantele sciatofile şi520W Im2 pentru cele heliofile determină intensificarea procesului de fotosinteză. Depăşirea acestei limite induce fotoinhibiţia, care este cauzată de excesul de energie de excitaţie, la nivelul centrilor de racţie.

Fotoinhibiţia se manifestă când temperatura este coborâtă, iar intensitatea luminoasă este din intensitatea maximă solară. Aceste condiţii se realizează în primele 6 ore de la răsărit, când cerul este senin iar temperature este sub 10oC. Adaptările plantelor la diferite intensităţi luminoase s-a realizat prin diferite modificări morfologice şi fiziologice. De exemplu: Cantitatea acceptorului primar şi a enzimilor implicate, raportul clorofilă a/b, suprafaţa frunzelor, grosimea frunzelor, densitatea şi mărimea stomatelor, orientarea şi forma frunzelor ş.a.

Compoziţia spectrală a luminii. Radiaţiile luminoase din spectrul vizibil (400-700nm) sînt absorbite în proporţie de 82%, razele infraroşii (>700nm) se absorb în proporţie de 25%. Din tot specrul de lumină pentru fotosinteză este folosită lumina roşie şi mai puţin cea albastru violet. Pentru celelalte lungimi de undă frunzele sînt transparente. Componenţa chimică a produşilor fotosinteziei depinde de componenţa spectrală a luminii.

Cantitatea de CO2 în atmosferă Concentraţia de dioxid e carbon la care intensitatea fotosintezei este egală cu cea a respiraţieii (punctul de compensare) este circa 0,004%. Plantele cu tip fotosintetic C 4 pot să-şi

desfăşoare procesul de fotosinteză la concentraţii foarte reduse de dioxid de carbon, prin utilizarea CO 2

rezultat din procesul de respiraţie. Cantitatea de CO2 în aer este de circa 0,03%. Mărirea concentraţieii CO2

pînă la 1,2 % provoacă o crestere proporţională a intensităţii fotosintezei, de la 1,2% la 20% intensitatea nu mai creşte dar rămîne stabilă, la concentraţii mai mari de 20% intensitatea fotosintezei scade proporţional pînă la 70% cînd fotosinteza este inhibată total.

Temperatura. Limitele de temperatură la care se desfăşoară procesul de fotosinteză variază cu specia între -18° la Iichenii din zonele arctice şi +70° la unele alge albastre.

Pe măsură creşterii temperaturii, sporeşte intensitatea procesului de fotosinteză, conform legii Vant Hoff. În general, creşterea temperaturii cu 10oC determină intensificarea procesului de fotosinteza de 1,5 - 1,6 ori, dar numai între anumite limite de temperatura.

Temperaturile optime pentru desfăşurarea procesului defotosinteza sunt cuprinse intre 25-37oC (32° la cartof, 35° la tomate şi 35° la castraveţi).

Temperaturile ce depăşesc 37-40oC determină scăderea rapidă a intensităţii procesului de fotosinteza la plantele cu tip fotosintetic C3 ca urmare a deteriorării structurii şi proprietăţilor membranelor plasmatice. La plantele cu tip fotosintetic C4 intensitatea procesului de fotosinteză rămîne constantă, ceea ce explică dominanţa acestui tip fotosintetic în zonele cu climat cald.

Umiditatea relativă a aerului. Intensitatea procesului de fotosinteză scade în proporţie de 35-40% în condiţii de umiditate relativă scăzută a aerului. Acest fenomen se întîlneşte în timpul verii, la amiaza, când se realizeaza frecvent umidităţi relative ale aerului foarte scăzute.

Substanţele minerale. Influenţa substanţelor minerale asupra intensităţii procesului de fotosinteza se datoreşte faptului că aceasta intră în compoziţia unor compuşi organici implicaţi în acest proces sau reprezintă catalizatori ai unor reacţii chimice. Astfel:

Azotul şi magneziul intră în compoziţia clorofilei, iar azotul este parte componentă şi a aminoacizi lor şi a proteinelor.

Fosforul este component al substanţelor transportoare deenergie: ADP şi ATP.Fierul este component al citocromilor, feredoxinei, catalazei şi stimulează sinteza nucleelor pirolice.Manganul catalizeaza procesul de fotoliza a apei şi sinteză a clorofilei.Borul stimulează transportul asimilatelor din frunze.

Prezenţa substanţelor toxice. Poluarea atmosferei cu SO2, AsO3, H2S, HF, pesticide, ş.a., determină reducerea intensităţii procesului de fotosinteza din cauza efectului nociv pe care îl au asupra citoplasmei, ezimelor, cloroplastelor etc.

Dintre speciile vegetale s-au dovedit a fi sensibile la acţiunea substanţelor toxice: gramineele, prunul, fagul etc. Cea. mai mare rezistenţă la acţiunea acestor factori s-a constatat la salcîm.

Cantitatea de oxigen. Limitele optime ale concentraţiei de oxigen pentru desfăşurarea procesului de fotosinteză sunt cuprinse între 2-21 %. La concentraţii ale oxigenului ce depăşesc 50% intensitatea procesului de fotosinteză scade. Sa demonstrate experimental că oxigenul poate inhiba fixarea dioxidului de carbon de către ribulozo-1,5-difosfatcarboxilaza, ceea ce explică aparent inhibarea procesului de fotosinteză.