fotosinteza (foto- + sinteza), biološki proces s pomoću kojega autotrofni fotosintetski organizmi (biljke, alge i neke bakterije) pretvaraju svjetlosnu energiju u kemijsku energiju veza sintetiziranih spojeva (ATP i NADPH) uz utrošak vode i izdvajanje kisika, a energija pohranjena u kemijskim vezama tih molekula rabi se u procesu stvaranja organskih tvari (ugljikohidrata) iz ugljikova dioksida (CO2). Sastoji se od stotinjak fizikalnih i kemijskih reakcija, odvija se u kloroplastima alga i biljaka te na tilakoidnim membranama cijanobakterija s pomoću proteinskih kompleksa, a elektroni se prenose nizom kemijskih reakcija s jedne vrste molekula što otpuštaju elektrone (oksidacija) na druge što ih primaju (redukcija). Pojednostavnjena formula fotosinteze je 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.
Otkriće fotosinteze
Najraniji pokušaji objašnjenja fotosinteze vezani su uz Aristotela. On je u IV. st. pr. Kr. postavio humusnu teoriju prema kojoj biljke svu hranu nalaze u humusu što ga primaju korijenjem (analogno ustima pri hranidbi životinja) te nakon izumiranja iznova grade humus. Aristotelova je teorija bila vrlo utjecajna te je prevladavala sve do XVI. st. Prvo opažanje i istraživanje fotosinteze seže u XVII. st. kada je Jan Baptist van Helmont mjerio masu zemlje, vode i biljke prije i poslije fotosinteze kako bi saznao odakle biljka dobiva tvari za rast (1643). Zasadio je mladicu vrbe mase 2,3 kg u posudi s 91 kg tla. Redovito ju je zalijevao i nakon pet godina vrba je težila 77 kilograma, a posuda 90,4 kg. Uvidio je znatno povećanje vrbine mase, dok se masa tla vrlo malo smanjila. Međutim, pogrešno je zaključio da je vrba dodatnu masu dobila iz vode kojom ju je zalijevao.
Iako je zastupao znanstveno neutemeljenu flogistonsku teoriju, prema kojoj pri izgaranju organske tvari dolazi do oslobađanja hipotetskog elementa flogistona, a zaostaje samo pepeo, Joseph Priestley svojim je pokusima (1771–80) dokazao da biljke izložene djelovanju Sunčeve svjetlosti proizvode plin što podržava gorenje. Poklopio je svijeću zvonolikom prozirnom posudom nakon čega se plamen svijeće ugasio. Potom je stabljiku mente stavio u posudu sa svijećom i otkrio kako u tom slučaju plamen svijeće traje dulje te zaključio da se tijekom fotosinteze razvija kisik nazvavši ga deflogistoniranim zrakom. Njegov suvremenik Antoine Laurent de Lavoisier je oko 1775. pobio flogistonsku teoriju vodeći se objavljenim radovima Priestleya i Carla Wilhelma Scheelea. Lavoisier je također dao ime kisiku i vodiku te dokazao da je voda spoj kisika i vodika (1783). Razumijevanju fotosinteze uvelike je pridonio osobni liječnik rimsko-njemačke carice Marije Terezije Jan Ingenhousz otkrivši 1779. da biljke izdvajaju kisik samo ako su izložene Sunčevoj svjetlosti. Izlaganjem vodene biljke roda Hydrilla Sunčevoj svjetlosti, pokazao je da su se stvarali mali mjehurići oko zelenih dijelova biljke, dok se u mraku nisu stvarali. Iako su otkriću i konačnom razumijevanju složenog procesa fotosinteze pridonijeli mnogi znanstvenici, katkad se upravo Ingenhouszu pripisuje otkriće fotosinteze. Švicarski znanstvenik Jean Senebier 1782. je otkrio pravo značenje asimilacije ugljika kao redukcije CO2 s pomoću svjetlosti pokazavši da fotosinteza ovisi o specifičnoj vrsti plina koji je nazvao fiksirani zrak, a to je bio ugljikov dioksid. Smatrao je da taj plin proizvode i životinje, ali i biljke noću potičući stvaranje »čistog« zraka (tj. kisika) danju. Ulogu vode objasnio je Nicolas Théodore de Saussure u djelu Kemijska istraživanja vegetacije, 1804. i predložio kvantitativno objašnjenje fotosinteze. Tada je postalo jasno kako biljke zahtijevaju iz zraka CO2, vodu iz tla ili atmosfere i još neke elemente iz tla. Ipak, nova shvaćanja nisu osobito privlačila pozornost znanstvenih krugova, pa tako Jöns Jacob Berzelius, otac modernih kemijskih simbola, još 1839. smatra da ugljik u biljaka potječe iz humusa.
Konačni doprinos osnovnoj jednadžbi fotosinteze dao je Julius Robert von Mayer otkrivši 1842. da biljke pretvaraju Sunčevu energiju u kemijsku. Julius Sachs utvrdio je da se fotosintetski pigment nalazi u kloroplastima i da se fotosintezom na svjetlosti stvaraju ugljikohidrati. Cornelis Bernardus van Niel otkrio je 1931. da su reakcije fotosinteze u zelenih biljaka i u nekih zelenih sumpornih bakterija vrlo slične. Zaključio je da je sumpor što nastaje u fotosintetskih bakterija (anoksigena fotosinteza) analogan kisiku koji se razvija u biljaka (oksigena fotosinteza) i time otkrio da su reakcije fotosinteze redoks-reakcije.
Pokusi Roberta Emersona i Williama Arnolda 1932. na stanicama alga Chlorella doveli su do predodžbe o fotosintetskoj jedinici kao skupu pigmenata i pripadajućih fotosustava. Pri osvjetljavanju alge otkrili su kako količina proizvedenoga kisika nije rasla sa svakim primijenjenim bljeskom svjetlosti, nego je zasićenje postignuto pri intenzitetu bljeska svjetlosti pri kojem se razvijala samo jedna molekula kisika na 2400 molekula klorofila. Osim toga, osvijetlivši algu najprije samo crvenom svjetlošću, potom samo plavom svjetlošću te istodobno crvenom i plavom svjetlošću, pokazali su da je reakcijama na svjetlosti potrebna svjetlost različitih valnih duljina. Primjenom plave svjetlosti uočili su razvijanje kisika, ali ne i primjenom samo crvene svjetlosti. Istodobnim djelovanjem crvene i plave svjetlosti količina proizvedenoga kisika znatno je premašila ukupnu količinu kisika što se razvila samo uz plavu svjetlost. Ti eksperimentalni podatci uputili su na postojanje dviju vrsta svjetlosnih reakcija koje rabe svjetlost različitih valnih duljina. Hans Gaffron i Kurt Wohl otkrili su 1936. da stotine molekula klorofila apsorbiraju svjetlost i prenose je na osobito mjesto u kojem se zbiva kemijska reakcija – reakcijsko središte. Robert (Robin) Hill je 1939. otkrio da izolirani kloroplasti razvijaju kisik kad su osvijetljeni u prisutnosti pogodne tvari koja prima elektrone kao što je željezov(III) cijanid, pokazavši time da se kisik može razvijati i bez redukcije CO2. Samuel Ruben i Martin Kamen utvrdili su 1941. da kisik oslobođen fotosintezom potječe od molekule vode. Reakcije neovisne o svjetlosti razjasnio je Melvin Calvin 1945. uporabom radioaktivnog izotopa 14C za praćenje sudbine CO2 objavivši te rezultate s Andrewom Almom Bensonom u radu Put ugljika u fotosintezi IV: vrste i slijed intermedijera u sintezi saharoze (The Path of Carbon in Photosynthesis IV: The Identity and Sequence of the Intermediates in Sucrose Synthesis, 1949). Louis Nico Marie Duysens i Jan Amesz biofizičkim su istraživanjima (→ biofizika) dokazali postojanje dvaju fotosustava (1959–61), a suvremeni koncept o dvjema fotosintetskim reakcijama na svjetlu koje se odvijaju u dvama sustavima pigmenata nizom prijenosa elektrona iz vode do NADP+ predložili su Robert Hill i Fay Bendall u obliku Z-sheme (1960). André Tridon Jagendorf pokazao je 1966. da kloroplasti sintetiziraju ATP u mraku ako se primijeni umjetni protonski gradijent preko tilakoidne membrane, što je išlo u prilog kemiosmotskoj hipotezi sinteze ATP-a. (→ mitohondriji)
Fotosinteza se u biljaka sastoji od dvaju procesa: primarnoga procesa, tj. reakcija ovisnih o Sunčevoj svjetlosti koje se mogu odvijati samo kad je biljka osvijetljena, a tijekom kojih se svjetlosna energija pohranjuje u kemijskim vezama ATP-a i NADPH-a te se razvija kisik, i sekundarnoga, tj. reakcija asimilacije (fiksacije) ugljika gdje se nastali ATP i NADPH rabe za sintezu organskih molekula iz CO2 (Calvin-Bensonov ciklus).
Reakcije ovisne o svjetlosti
Primarni procesi obuhvaćaju dvije uzastopne, usklađene, serijski povezane fotokemijske reakcije. Apsorpcija svjetlosne energije odvija se u kompleksu antena za prikupljanje svjetlosti (LHC, akronim od Light Harvesting Complex) i supramolekulskim sklopovima u tilakoidnim membranama kloroplasta (fotosustavima) čiji su najvažniji dijelovi specijalizirani klorofili a u reakcijskim središtima. Specijalizirane molekule klorofila a u reakcijskom središtu fotosustava jedine su sposobne pretvarati svjetlosnu energiju u kemijsku. Klorofil b, karotenoidi i fikobilini imaju ulogu apsorpcije svjetlosti i prijenosa svjetlosne energije (antenske molekule) do klorofila a smještenog u reakcijskim središtima. Najdjelotvorniji je dio vidljive svjetlosti za fotosintezu u području crvene i plave svjetlosti.
Gotovo svi procesi reakcija na svjetlu provode se s pomoću pet membranskih proteinskih kompleksa poredanih i usmjerenih na osobit način: fotosustava II, kompleksa citokroma b6f, fotosustava I, feredoksin-NADP+-reduktaze i ATP-sintaze.
Cijanobakterije i biljke sadržavaju dva fotosustava (I i II), od kojih svaki ima svoj specifični klorofil a određene valne duljine apsorpcije: P680 u fotosustavu II i P700 u fotosustavu I (P označava pigment, a broj valnu duljinu apsorpcijskoga maksimuma). Dva fotosustava fizički su i kemijski odvojeni, svaki od njih ima svoje antenske pigmente i reakcijsko središte, a međusobno su povezani transportnim lancem elektrona. Elektrone od jednoga do drugoga fotosustava prenose molekule koje djeluju kao nosači elektrona (feofitin, plastokinoni, plastocijanini).
Fotokemijske reakcije počinju apsorpcijom fotona ili kvanata svjetlosti u fotosustavu II koji je odgovoran za nastanak kisika te za prikupljanje elektrona potrebnih za konačnu redukciju koenzima NADP+ (nikotinamid-adenin-dinukleotid-fosfat) u NADPH što se odvija u fotosustavu I. Najprije se specijalizirana molekula klorofila a u fotosustavu II (P680) pobuđuje svjetlošću, tj. elektron prelazi u orbitalu više energije te klorofil u reakcijskom centru privremeno gubi elektron. Taj se elektron prenosi na plastokinon koji uzima proton iz strome. Reducirani plastokinon može se kretati kroz membranu od fotosustava II do kompleksa citokroma b6f (membranska pumpa) gdje otpušta proton u lumen i oksidira se, a elektroni se potom prenose na molekulu klorofila P700 fotosustava I kako bi se nadoknadili elektroni koji su bili donirani NADP+-u. Fotosustav II nadoknađuje elektrone iz fotolize vode (Hillova reakcija) pri čem se razvija molekulski kisik koji potječe iz molekule vode, a protoni nastali pri njegovu razvijanju pridonose protonskomu gradijentu. Fotoliza vode je, uz oslobađanje kisika, središnji događaj u fotosustavu II. Na taj način svjetlost započinje niz oksidacija i redukcija. Protok elektrona odvija se od molekule vode preko fotosustava II, citokroma b6f i fotosustava I, a elektrone prihvaća NADP+ koji se reducira do NADPH u stromi s pomoću feredoksina i feredoksin-NADP+-reduktaze, što se smatra zadnjim korakom u linearnom lancu prijenosa elektrona reakcija ovisnih o svjetlosti. Molekula NADPH rabi se kao jaka reducirajuća tvar za sintezu ugljikohidrata u Calvin-Bensonovom ciklusu. Fotoliza vode, opisani prijenos elektrona i prijenos protona preko plastokinona omogućuju prolazak iona vodika kroz tilakoidnu membranu i posljedično povećanje protonskoga gradijenta (ΔpH) u lumenu tilakoida. Difuzija protona iz tilakoidnog prostora u stromu pokreće enzimski kompleks ATP-sintazu koja sintetizira ATP, što se naziva fotofosforilacijom.
Osim linearnoga lanca prijenosa elektrona, u fotosintetskim organizmima u određenim uvjetima nalazimo ciklički prijenos elektrona, što uključuje samo fotosustav I. Ovim tokom elektrona ne nastaje NADPH, ne dolazi do fotolize vode, odnosno nastanka O2, jer fotosustav II nije uključen u ciklički tok elektrona.
Calvin-Bensonov ciklus
Calvin-Bensonov ciklus sastoji se od niza kemijskih reakcija redukcije ugljikova dioksida u organske spojeve, tj. ugljikohidrate u biljkama (asimilacija), što se odvijaju u stromi kloroplasta tijekom fotosinteze (sekundarne reakcije), pri čem se kao glavni izvor energije rabe ATP i NADPH, produkti nastali usklađenim djelovanjem proteinskih kompleksa u reakcijama na svjetlosti; katkad se pogrešno nazivaju reakcijama u tami jer ne ovise izravno o svjetlosti (engl. light independent reactions), ali ovise o produktima reakcija ovisnih o svjetlosti (ATP i NADPH). Kadšto se naziva C3-ciklusom jer među prvim produktima nastaje organski spoj 3-fosfoglicerinska kiselina (3-fosfoglicerat) što sadržava tri atoma ugljika i može biti preteča mnogim spojevima.
Odvija se u tri koraka: fiksacija (karboksilacija), redukcija i regeneracija. U prvom se koraku CO2 fiksira iz oksidiranog anorganskog u reducirani organski spoj tako što se kondenzira s ribuloza-1,5-difosfatom s pomoću enzima ribuloza-1,5-difosfat-karboksilaze/oksigenaze (Rubisco ili RuBisCo) u nestabilni novonastali spoj sa šest ugljikovih atoma, a on se brzo hidrolizira na dvije molekule 3-fosfoglicerinske kiseline (svaka s tri ugljikova atoma). Molekule 3-fosfoglicerinske kiseline reduciraju se s pomoću produkata primarnih procesa (NADPH i ATP) u gliceraldehid-3-fosfat. Nastali trioza-fosfat može u Calvin-Bensonovu ciklusu stvarati šećere s četiri i više ugljikovih atoma, pri čem se mora obnavljati ribuloza-1,5-difosfat kao primatelj nove molekule CO2. Potrebno je šest okretaja Calvin-Bensonova ciklusa za prevođenje CO2 u heksozu (npr. glukozu ili fruktozu). Osim što je karboksilaza, enzim Rubisco može djelovati poput oksigenaze. U uvjetima kada je u međustaničnim prostorima lista prisutna viša koncentracija kisika nego CO2, u aktivna mjesta enzima Rubisca umjesto CO2 veže se kisik, pri čem nastaju 3-fosfoglicerinska kiselina i 2-fosfoglikolat. Taj je proces usko vezan uz fotosintezu, a naziva se fotorespiracijom jer se rabi O2, a otpušta CO2.
Ugljikohidrati nastali fotosintezom u listovima prenose se provodnim elementima floema do nefotosintetskih organa (korijenje, gomolji, plodovi, sjeme). Danju se iz viška glukoze stvara asimilacijski škrob u stromi kloroplasta, a noću se škrob razgrađuje s pomoću enzima amilaza i pohranjuje u veća škrobna zrnca u leukoplaste, fotosintetski neaktivne i bezbojne plastide, pa se naziva spremišni ili pričuvni škrob.
Stopa fotosinteze ovisi o nizu ekoloških čimbenika poput svjetlosti, temperature, CO2, vode i hranjivih soli. Njezina je uloga nezamjenjiva u stvaranju kisika i hrane za sve heterotrofne organizme (životinje, biljke bez klorofila, bakterije i gljive). Najvažniji je proces za uklanjanje ugljikova dioksida, osobito antropogenoga, što podrazumijeva uklanjanje CO2 iz atmosfere, fitoplanktonom u oceanima (→ eufotička zona) ili biljkama na kopnu (biotička sekvestracija). Od 1900. do 2021. udio CO2 u atmosferi narastao je s 280 ppm na 412 ppm. Ta količina CO2 izražena u tonama iznosi 280 milijarda tona. Fotosinteza je u kvantitativnome smislu presudan proces jer se svake godine više od 200 milijarda tona ugljika pretvori u 500 milijarda tona organskih tvari, pri čem se oslobađaju goleme količine kisika potrebnoga za disanje. Zato svako zagađivanje atmosfere, oceana i tla iz nečistih industrijskih tehnologija ugrožava fotosintetske organizme, a time i život na Zemlji.
