ENERGIA ELUSATES RAKKUDES

Milleks vajab rakk energiat?
Kujutage ette, et rakk on nagu masin - ta töötab nagu masin. Iga masin kasutab tööks mingit energiat. Autod saavad oma energia bensiinist, külmkapp elektrivõrgust, tuuleveskid tuulest. Ka rakk vajab energiat. Taimerakk suudab päikeseenergia muuta keemiliseks energiaks. Selleks, et energiat toota, on vaja muundatavat ainet, ensüüme, energia salvestamise võimalust ning jääkainete eritamist, et jäägid ei kuhjuks.

Energia muundumine rakus.
Rakk vajab energiat kõigiks oma protsessideks. Energia on salvestatud keemilistesse ainetesse. Kui tekib vajadus energia järele, siis need ained lagundatakse ja vabaneb energia.
Et üldse lagundamisprotsesse alustada on samuti vaja energiat - aktivatsioonienergiat, et ensüümid tööle hakkaksid. Ensüümid ei või ju pidevalt töös olla, sest siis lagundataks ära kogu rakk. Tavaliselt salvestatakse osa energiast ATP-sse, mis koosneb N-alusest, suhkrust ja 3-st fosfaatrühmast. Kui on 3 asemel 2 P -d, siis on ADP ja 1-ga AMP. ATP molekul on kergesti lagundatav vastava ensüümi abil. ATP lagunemisel vabaneb seal talletunud energia ja 1 fosfaatrühm. See fosfaatrühm liitub taas rakuhingamise käigus uue ADP-ga ja moodustub uus ATP. See ATP-ADP tsükkel on nagu patarei, mi ennast ise uuesti laeb. Laadimine toimubki ATP moodustumisega. Rakuhingamisel lagundatakse glükoosimolekul ja seejuures vabaneb energia, mis salvestatakse ATP-sse. Glükoosi saadakse fotosünteesist.

Energia hankimine ja salvestamine.
Rohelised taimed on autotroofsed organismid. See tähendab, et nad saavad oma eluks vajalikud orgaanilised ained (lipiidid, valgud, süsivesikud ja vitamiinid) ise sünteesida lihtsatest  anorgaanilistest ühenditest (CO2 ja H2O). Energiat selleks saavad taimed päikselt. Neid sünteesiprotsesse nimetatakse fotosünteesiks. Fotosünteesi toimumiseks on vaja valgust, klorofülli, ja anorgaanilisi aineid: (CO2 ja H2O). Klorofoll on roheline pigment taimedes, mis neelab valgust. Süsinikdioksiidi saadakse õhust, vett juurte kaudu maapinnast. Fotosünteesi käigus moodustub neist  6 süsinikuga ühend - glükoos. Hapnik ja vesi on nende reaktsioonida kõrvalproduktid. Fotosünteesi koguvõrrandi võib kirjutada järgmiselt:
6CO2 + 12H2O = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
See aga ei näita eraldi üksikuid toimuvaid reaktsioone.

Millest fotosüntees sõltub?
Fotosünteesi kiirus sõltub mitmetest teguritest. Nendeks on CO2 ja H2O kättesaadavus, valguse intensiivsus, temperatuur. Kui näiteks muld on kuiv ja taim ei saa piisavalt vett, siis fotosüntees seiskub. Mida tugevam valgus, seda kiirem fotosüntees. Kõige sobivam temperatuur on 20°-35°C. Kui temperatuur on üle 35° või alla 0° kraadi, siis ensüümide aktiivsus langeb ja pidurdub ka fotosüntees.

Valgus
See valgus, mida me näeme, on vaid väike osa kogu päikesekiirgusest. Kui valgus läbib prisma, valgus murdub ja moodustub erinevate värvidega spekter. Sama juhtub siis kui näeme õhus vikerkaart, siis on prismadeks veepiisad atmosfääris. Valgusenergia liigub väikeste ühikutena, mida kutsutakse footoniteks. Erinevate valguste energia on erinev. Näiteks violetse valguse footon on peaaegu 2 korda energiarikkam kui punase valguse footon. Need värvid, mida me enda ümber erinevatel asjadel näeme, on tegelikult neilt peegeldunud valguse värvus. Rohelised taimed peegeldavad tagasi rohelist valgust ja neelavad teised. Violetne, sinine ja punane valgus annavad fotosünteesiks rohkem energiat.

Klorofüll ja teised pigmendid.
Taimedes on 2 tüüpi klorofülli: klorofüll a ja klorofüll b. Mõlemad neelavad valgust. Kui valguse footon tabab klorofülli molekuli ja neeldub, kantakse footoni energia üle klorofülli molekuli elektronile. Ergastunud elektroni energiat saab kasutada keemilistes reaktsioonides.
Lisaks klorofüllile on taimerakkudes veel teisi pigmente. Nende kõigi ülesandeks on koguda kokku klorofüllist möödunud footonite energia ja anda see edasi klorofüllile. Seetõttu ongi enamik taimi rohelised. Aga isegi siis kui taim on näiteks pruunikas või punakas, sisldavad tema rakud klorofülli, kuid teised pigmendid lihtsalt varjavad selle värvuse.

Süsinikdioksiid ja vesi.
CO2. kasutatakse C-allikana orgaaniliste ainete sünteesil. Hapniku aatomid lähevad samuti glükoosi molekuli. Vett on vaja vesinikioonide saamiseks, kuna neid kasutatakse samuti glükoosi sünteesimiseks. Hapnik fotosünteesiks tuleb vee molekulist, mitte otse õhust. Fotosünteesil kõrvalproduktina vabanev hapnik läheb aga atmosfääri ja seda kasutatakse hingamiseks.

Milline on lehe ehitus?
Lehte katab tihe mittemärguv kiht - kutiikula. Selle all on tihedalt kõrvuti paiknevate rakkude kiht - epiderm. Need rakud on läbipaistvad, et valgus saaks neist läbi tungida kudedeni, kus fotosüntees toimub. Epidermises on õhulõhed, mille kaudu liiguvad hapnik, veeaur ja CO2. ning Need kaks kihti moodustavad lehe kattekoe ja nende funktsiooniks on eelkõige lehe alumiste kudede kaitsmine erinevate välistegurite eest. Kattekoe all on lehe põhikude - mesofüll, mis koosneb kahte sorti rakkudest: tihedatest piklikest ja hajusatest ümmargustest. Need on sammaskude ja kobekude.  Sammaskoe rakud sisaldavad palju kloroplaste ja seal toimubki fotosüntees. Sammaskoe all on kobekude, mille rakkude vahel on suured rakuvaheruumid. Ka nendes rakkudes on kloroplaste, kuid tunduvalt vähem. Kobekoe rakkude ülesandeks on vee aurumine ehk transpiratsioon ja gaasivahetus.
Nagu eespool öeldud, liiguvad veeaur ja teised gaasid lehte sisse ja välja läbi õhulõhede.  Õhulõhed koosnevad 2 tüüpi rakkudest: sulgrakkudest keskel ja kaasrakkudest servades. Õhulõhed paiknevad tavaliselt lehe alumisel küljel ja on vastavalt vajadusele kas avatud või suletud.  Avanemine ja sulgumine sõltub sulgrakkudest, täpsemalt nende siserõhust - turgorist. Kui turgor sulgrakkudes suureneb, siis õhulõhed avanevad. Rõhu langedes õhulõhed aga sulguvad.

Milleks on õhulõhed vajalikud?
Õhulõhede kaudu siseneb lehte CO2, mida kasutatakse fotosünteesil orgaaniliste ainete sünteesiks. Kui õhulõhed on suletud, siis CO2 lehte ei tungi ja fotosünteesi intensiivsus langeb.

Milleks on rakus kloroplastid?
Kloroplastides toimuvadki fotosünteesi reaktsioonid.  Kloroplastide katavad 2 membraani: sisemine ja välimine. Järelikult on kloroplastides ka 2 ruumi: kahe membraani vahel ja kloroplasti sisemuses, mida ümbritseb sisemine membraan. Välimine membraan on sile ja katab kloroplaste väljastpoolt. Sisemine membraan on sissepoole liigendunud ja moodustab tülakoide.  Selles membraanis paiknevad ka pigmendid, mis on vajalikud fotosünteesi ühe staadiumi (valgusstaadiumi) toimumiseks.  Kloroplastide sisemuses on vedel valguline strooma, milles on ensüümid CO2 sidumiseks ja muundamiseks.

Kuidas tekivad kloroplastid?
Kloroplastid võivad moodustuda mitte välja kujunenud plastiididest - eelplastiididest valguse mõjul. Uued kloroplastid tekivad ka olemasolevate pooldudes. Seejuures jaotub kloroplastides olev rõngasjas DNA võrdselt 2 uue kloroplasti vahel.  Valguse mõjul võivad kloroplastid tekkida ka teistest plastiididest. Viimase näiteks võiks tuua punase porgandi ülemise osa muutumise roheliseks valguse käes seistes. Kloroplastide arv sõltub taimest, koest ja valgustingimustest.

Milles seisneb fotosüntees?
Fotosüntees koosneb paljudest reaktsioonidest. Osa jaoks neist on vajalik valgus, teiste jaoks mitte. Valgustnõudvaid reaktsioone nimetatakse valgusstaadiumiks, teisi pimedusstaadiumiks. Valgusstaadiumi reaktsioonid toimuvad kloroplastide sisemembraanides, pimedusstaadiumi reaktsioonid aga stroomas.

Valgusstaadium.
Et rakus üldse fotosüntees hakkaks toimuma on vaja energiat nende protsesside käivitamiseks. Taimed saavad selle energia päikesevalgusest. Valgus neeldub lehes ja ergastab pigmendi molekulid. Ergastatud klorofülli molekul kaotab ühe elektroni. See elektron liigub ühelt molekulilt teisele ja seda nimetatakse elektronitranspordiahelaks. Igal astmel vabaneb veidi energiat. Seda energiat kasutatakse ATP sünteesiks. Nüüd aga on klorofülli molekulis üks vaba koht uuele elektronile. See elektron saadakse vee molekuli lõhustumisel. Vesi siseneb taime juurte kaudu mullast ja on fotosünteesi toimumiseks üks olulisi komponente. Vee lõhustumiseks on samuti vaja päikeseenergiat. Vee molekul lõhustub hapnikuks ja vesinikioonideks. Moodustunud hapnik väljub lehest läbi õhulõhede ja seda kasutavad hingamiseks teised taimed ja loomad ning ka seesama taim ise.
2H20 = 4H+ + O2
Valgusstaadiumis moodustub reduktiivjõud NADPH+H+, mis on vajalik pimedusstaadiumi reaktsioonideks. Valgusstaadiumis sünteesitakse ka  ATP kui rakus on olemas fosfaatioonid, ADP ja vastav ensüüm (ATP-süntetaas).
Elektronidetranspordiahelat võib võrrelda veekosega vesiveskis. Vesi langeb kõrgelt alla suure energiaga. Kui ta langeb vastu vesiratta tiivikuid, siis tema energia järjest väheneb. Vabanenud energia kasutatakse tööks, et panna tiivik pöörlema.  samamoodi kasutatakse elektronide energia ära raku tööks.

Pimedusstaadium.
Järgnevateks reaktsioonideks pole enam valgust vaja. Siin kasutatakse salvestatud ATP-d ja vesinikioone CO2 sidumiseks ja biokeemiliseks muundamiseks. CO2  tuleb õhulõhede kaudu õhust ja see seotakse 5 süsinikuga ühenditele. Selle tulemusena moodustub 6 süsinikuga ühend, mis on aga ebapüsiv ja laguneb 2-ka 3 süsinikuga ühendiks. Neid ühendeid kasutataksegi glükoosimolekulide sünteesiks. Et aga glükoos rakku ei kuhjuks, on vaja see kiiresti sealt ära transportida. Transportimiseks moodustub kloroplastides glükoosimolekulidest sahharoos, mis on stabiilne transportsuhkur. Sellisena viiakse suhkur taime erinevatesse osadesse, kus see glükoosina ära kasutatakse või tärkliseks muudetakse. Tärklis on taimedel suhkrute säilitusvorm. Kui taim vajab palju säilitussuhkrut, siis on tal tavaliselt kujunenud spetsiaalne säilitusorgan. Näiteks kartuli maa-alused võsud (kartulimugulad) on taimel tärklise säilitamise kohtadeks. Pimedusfaasi tuntakse ka Calvini tsüklina. Ameerika teadlane Melvin Calvin kirjeldas esimesena neid reaktsioone 1950. aastal.