Biologie vegetală
Nutriția plantelor — fotosinteză și respirație
Fotosinteza (faza luminoasă și întunecată), respirația celulară, transpirația și nutriția minerală.
Fotosinteza
Definiție: procesul prin care plantele verzi sintetizează substanțe organice folosind energia luminoasă, CO₂ și H₂O.
Ecuația generală: $$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{lumină, clorofilă} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$$
Locul desfășurării: cloroplaste (membrane tilacoide → faza luminoasă; stromă → faza întunecată)
Pigmenții fotosintetici
- Clorofila a (verde-albăstruie): pigment principal, absoarbe lumina roșie (~680 nm) și albastru-violetă (~430 nm)
- Clorofila b (verde-gălbuie): pigment secundar, transfer de energie la clorofila a
- Carotenoizi (carotene, xantofile): galbeni-portocalii; absorb lungimi de undă la care clorofila e ineficientă; și protecție față de fotooxidare
Faza luminoasă (fototransducție)
Localizare: membranele tilacoide (pe suprafața tilacoizilor).
Procesele:
- Absorbția luminii de fotosisteme (PSII și PSI)
- Fotoexcitarea electronilor din clorofilă → electroni cu energie înaltă
- Fotoliza apei (la PSII): $2H_2O \rightarrow 4H^+ + 4e^- + O_2↑$
- Oxigenul eliberat provine din apă (nu din CO₂!)
- Lanțul transportorilor de electroni: electronii trec prin plastochinone, citocrom b₆f, plastocianine
- Sinteza ATP (fotofosforilare) prin ATP-sintaza pe membrana tilacoidă
- NADPH sintetizat la PSI: NADP⁺ + 2e⁻ + H⁺ → NADPH
- Produse: ATP + NADPH (vor fi folosite în faza întunecată) + O₂ (eliminat)
Faza întunecată (Ciclul Calvin — C3)
Localizare: stroma cloroplastului (nu necesită lumină directă, dar depinde de ATP și NADPH).
Procesele:
- Fixarea CO₂: CO₂ + RuBP (5C) → 2 molecule 3-PGA (3C) — catalizat de RuBisCO (enzimă cheie)
- Reducerea 3-PGA cu ATP + NADPH → G3P (gliceraldehid-3-fosfat)
- Regenerarea RuBP (cu consum de ATP) — ciclul se reia
- Sinteza glucozei din G3P (6 rotații ale ciclului → 1 glucoză)
Ecuație rezumativă: $$3CO_2 + 9ATP + 6NADPH \rightarrow G3P$$
Plante C4 (porumb, trestie de zahăr): preconcentrare CO₂ în celule mezofil → trimit malat la celule tecă (bundle sheath) → eficiență mai mare la temperaturi înalte.
Factori care influențează fotosinteza
| Factor | Efect |
|---|---|
| Intensitatea luminii | Crește rata până la saturație (punct de saturație luminos) |
| Concentrația CO₂ | Crește rata până la saturație |
| Temperatura | Optim ~25–35°C (enzimele ciclului Calvin) |
| Apa | Deficitul → stomele se închid → ↓ CO₂ → ↓ fotosinteză |
| Clorofila | Necesară; carentă Fe, Mg → cloroze |
Respirația celulară
Definiție: oxidarea glucozei pentru obținerea energiei (ATP), CO₂ și H₂O.
Ecuația generală: $$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + 36-38 \text{ ATP}$$
Etapele respirației aerobe
1. Glicoliza (citoplasma)
- Glucoză (6C) → 2 × piruvat (3C)
- Produce: 2 ATP (net) + 2 NADH
- Anaerobă (nu necesită O₂)
2. Decarbozilarea oxidativă (matrice mitocondrială)
- Piruvat + CoA → Acetil-CoA (2C) + CO₂ + NADH
3. Ciclul Krebs / al acidului citric (matrice mitocondrială)
- Acetil-CoA (2C) + oxaloacetat (4C) → citrat (6C) → cicluri
- Produce per ciclu: 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 ATP (sau GTP) + 2 CO₂
- 2 rotații per glucoză: 6 NADH + 2 FADH₂ + 2 ATP + 4 CO₂
4. Fosforilarea oxidativă / Lanțul respirator (membrana internă mitocondrială)
- NADH și FADH₂ cedează electroni lanțului (complexe I-IV)
- ATP-sintaza folosește gradientul de H⁺ (chemiosmoza) → 32-34 ATP
- O₂ = acceptor final de electroni → H₂O
Total ATP per glucoză: ~36–38 ATP
Respirația anaerobă (fermentația)
Când O₂ lipsește — se regenerează NAD⁺ din NADH pentru continuarea glicolizei:
| Tip | Produs | Organisme | Exemple |
|---|---|---|---|
| Fermentație lactică | Acid lactic | Bacterii, mușchi (anaerob) | Iaurt, brânzeturi; crampele musculare |
| Fermentație alcoolică | Etanol + CO₂ | Drojdii (Saccharomyces) | Bere, vin, pâine |
Transpirația
Definiție: eliminarea vaporilor de apă prin stome (transpiratia stomatică ~90%) și epidermă (transpiratia cuticulară ~10%).
Importanță:
- Asigură curentul ascendent al sevei brute (coloana de apă urcă prin xiliem)
- Termoregulare — răcire prin evaporare
- Menține turgescența celulară
Factori: temperatură, umiditate, vânt, lumină (stomele deschise ziua).
Deficitul de apă → stomele se închid (ABA = acid abscisic semnalizează închiderea stomelor).
Nutriția minerală
Plantele absorb din sol apă + săruri minerale (sevă brută) prin rădăcini.
Macroelemente: N, P, K, Ca, Mg, S (necesare în cantități mari) Microelemente: Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo (cantități mici, dar esențiale)
| Element | Rol | Simptom de carență |
|---|---|---|
| N | Aminoacizi, proteine, clorofilă, acizi nucleici | Cloroze (îngălbenire), creștere redusă |
| P | ATP, membrane (fosfolipide), acizi nucleici | Colorare roșu-purpuriu, fructificare slabă |
| K | Osmoreglare, funcționarea stomelor, activare enzime | Marginile frunzelor se brunifică |
| Ca | Perete celular (pectați de Ca), membrana celulară | Deformări vârfuri lăstari |
| Mg | Centrul clorofilei | Cloroze internervale |
| Fe | Clorofilă (sinteză), respirație celulară | Cloroze (frunze tinere) |
La examen
- Fotosinteza: CO₂ + H₂O + lumina → glucoză + O₂ (oxigenul vine din apă!)
- Faza luminoasă: tilacoide → ATP + NADPH + O₂; Ciclul Calvin: stromă → glucoză
- RuBisCO = enzima fixării CO₂; Fotoliza apei = sursă O₂ și H⁺
- Respirație aerobă: glucoză → ~38 ATP; Glicoliză (citoplasmă) → Krebs (matrice) → Lanț respirator (membrană internă)
- Transpirația = motor al curentului ascendent (sevă brută); stome închise = ↑ABA