Fotosinteza și fotorespirația

Procesul prin care plantele autotrofe sintetizează primii compuși organici, cu ajutorul energiei solare, este cunoscut sub denumirea de fotosinteză sau asimilație clorofiliană.

Ecuația globală a acestui proces este următoarea:

6CO2 + 12H2O + lumină solară - C6H12O6 + 6O2

Frunza reprezintă organul specializat în care se realizează procesul de fotosinteză. Aceasta are o structură specifică, adaptată pentru desfășurarea acestui proces, care constă în:

- suprafață aplatizată capabilă să recepționeze o cantitate mare de radiații luminoase;

- epidermă prevăzută cu stomate, prin care se face schimbul de gaze între frunze și mediul ambiant;

- structură bifacială: parenchimul asimilator fiind diferențiat în parenchim palisadic cu rol fotosintetic și parenchim lacunar, cu rol în schimburile gazoase. La plantele cu tip fotosintetic C4, mezofilul frunzelor este omogen, iar în jurul vaselor conducătoare se află țesutul asimilator perivascular;

- prezența fasciculelor libero-lemnoase (nervuri) care transportă apa și substanțele minerale spre celulele mezofilului foliar și seva elaborată spre toate organele plantelor;

- prezența organitelor specializate în care se desfășoară procesul de fotosinteză: cloroplastele, al căror număr variază într-o celulă între 20 și 60, în cazul plantelor

- de spanac.

Adaptările pe care le prezintă claroplastele pentru desfășurarea procesului de fotosinteză sunt legate de suprafețele mari ale membranelor tilacoide și de prezența pigmenților clorofieni.

Membranele tilacoide au structura asemănătoare cu a membranelor plasmatice, adică sunt alcătuite dintr-un strat dublu de galactolipide, în care sunt încorporați pigmenți (clorofile, caroteni și xantofile), substanțe transportoare de electroni și pompe de protoni.

Pigmenții care se găsesc în cloroplaste diferă în ceea ce privește compoziția chimică. În plantele verzi există: clorofila a (C55H72O5N4Mg), clorofila b (C55H70O6N4Mg), carotina(C40H56) și xantofila (C40H56O2).

În plante există și alți pigmenți fotosensibili, care nu participă la realizarea procesului de fotosinteză, așa cum sunt fitocromul și criptocromul.

Biosinteza pigmenților se realizează în cicluri biochimice diferite, în funcție de compoziția lor chimică. Pigmenții clorofilieni se biosintetizează în cloroplaste din aminoacidul glicină și succinil CoA (produs intermediar al ciclului Krebs), în ciclul acidului γ-aminolevulinic, iar pigmenții carotenoizi din acetil CoA în cloroplast și cromoplast, prin ciclul mevalonat.

Clorofila suferă un proces continuu de biosinteză și biodegradare. Ca urmare a desfășurării acestor procese, clorofila se reînnoiește permanent, într-un ritm de 40 % pe parcursul a 2 - 3 zile.

Factorii care influențează procesul de biosinteză a pigmenților sunt: lumina, temperatura, oxigenul și substanțele minerale.

Lumina reprezintă radiațiile electromagnetice emise de corpurile incandescente și care sunt alcătuite din fotoni. Lumina albă este alcătuită din totalitatea radiațiilor care alcătuiesc spectrul vizibil care au lungimea de undă cuprinsă între 400 nm și 700 nm. Energia acestor radiații, denumite fotosintetic active, este transformată în procesul de fotosinteză, în energie biochimică.

Recepția radiațiilor luminoase de către frunze este dependentă și de indicele suprafeței foliare (LAI), care reprezintă raportul dintre suprafața organelor asimilatoare și suprafața solului acoperită de acestea. Un indice al suprafeței foliare de 3 - 4 este suficient pentru recepția radiațiilor luminoase dar pentru realizarea unei producții mari este necesar, în funcție de specie, un indice de 7 până la 11.

Coeficientul de utilizare a luminii este foarte redus. Se apreciază că din cantitatea totală de lumină căzută pe o frunză (100 %), numai 1,5 - 3,0 % este utilizată în procesul de fotosinteză, iar restul este reflectată, trece prin frunză, este pierdută sub formă de căldură sau este utilizată în procesul de transpirație sub forma căldurii latente de vaporizare.

După Hay și Walker (1979), coeficientul de utilizare a radiațiilor fotosintetic active este 4,3 la porumb și 8,8 la sfecla de zahăr.

Randamentul procesului de fotosinteză este uimitor. Se apreciază că anual se fixează circa 1.300 miliarde tone de dioxid de carbon, rezultând 80 miliarde tone de glucide.