fotosynteza - Instytut Biologii Eksperymentalnej

Bliskie spotkania z biologią
FOTOSYNTEZA
dr inż. Magdalena Kulczyk-Skrzeszewska
Katedra Mykologii i Mykoryzy
Instytut Biologii Środowiska
FOTOSYNTEZA
SENS BIOLOGICZNY
• Podstawowy proces zapewniający
utrzymanie życia na Ziemi
• Stanowi główne źródło energii metabolicznej
dla organizmów heterotroficznych
• Źródło związków organicznych (niemal
wszystkie związki organiczne powstają
bezpośrednio lub pośrednio w wyniku
fotosyntezy
FOTOSYNTEZA
anaboliczny proces biochemiczny syntezy związków
organicznych z prostych nieorganicznych substancji
chemicznych pod wpływem promieniowania słonecznego.
chlorofil
6CO2 + 12H2O + światło
C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
LOKALIZACJA PROCESU FOTOSYNTEZY
liście
tkanki zielone:
łodyga
owoce
liścienie
Fotosynteza zachodzi w wyspecjalizowanych
organellach komórkowych - chloroplastach
CHLOROPLASTY
H2O
ENERGIA
SŁONECZNA
CHLOROFIL A
O2
WĘGLOWODANY
CO2
CHLOROPLASTY
ETAPY FOTOSYNTEZY
FAZA ŚWIETLNA
przemiana energii świetlnej w energię chemiczną
zmagazynowaną w formie wysokoenergetycznych wiązań
ATP i potencjału redukcyjnego NADPH
FAZA CIEMNA
ATP i NADPH wytworzone w fazie świetlnej, są zużywane
do redukcji CO2 i wbudowania go w związki organiczne
CHLOROPLASTY
lokalizacja faz procesu fotosyntezy
FAZA CIEMNA
BŁONY FOTOSYNTETYCZNE
błona zewnętrzna chloroplastu
stroma
DNA
tylakoidy
stromy
tylakoidy
granum
układ wiązań sprzężonych
chlorofil a
reszta fitolu
chlorofil b
feoporfiryna
BARWNIKI W BŁONACH FOTOSYNTETYCZNYCH
CHLOROFILE
KAROTENOIDY
KAROTENY
FIKOBILINY
KSANTOFILE
barwniki pomocnicze:
•anteny
•ochrona przed fotooksydacją
Światło a chloroplasty
CENTRA REAKCJI FOTOCHEMICZNEJ
Barwniki pomocnicze znajdujące się w błonach
fotosyntetycznych
oraz
większość
cząsteczek
chlorofilu tworzą kompleksy barwnikowo-lipidowobiałkowe, które pełnią rolę anten energetycznych.
Cząsteczki barwników antenowych po absorpcji
kwantu światła przechodzą ze stanu podstawowego w
stan wzbudzony. Wzbudzenie to jest następnie
przekazywane na drodze rezonansowej do specjalnej
pary cząsteczek chlorofilu a tworzących centrum
reakcji
fotochemicznej.
W
centrum
reakcji
fotochemicznej następuje trwała separacja ładunków,
polegająca na oddzieleniu elektronu od wzbudzonej
cząsteczki chlorofilu.
FOTOSYSTEM I (PSI)
FOTOSYSTEM II (PSII)
ilość cząsteczek
chlorofilu
ok. 200
ok. 250-300
kompleks
chlorofilowobiałkowy
(LHC)
LHC I:
chlorofil a
polipeptydy
LHC II:
chlorofil a i b
luteina
fosfatydyloglicerol
digalaktozylodiacyloglicerol
CP43, CP47, CP27, CP24,CP26,
CP29
centrum reakcji
fotochemicznej
P-700
przekaźnik elektronów A0
witamina K1 (A1)
centrum żelazowo-siarkowe (Fx)
polipeptydy wiążące
ferredoksynę i plastocyjaninę
P-680
polipeptydy (D1 i D2)
feofityna, β-karoten
cytochrom b559
CP43, CP47
ŚWIETLNA FAZA FOTOSYNTEZY
 polega na wykorzystaniu energii świetlnej do wytworzenia
związków bogatych w energię: ATP i NADPH
 istotą jest oderwanie elektronów od cząsteczki wody i
przeniesienie ich na utlenioną formę NADP
Energia światła słonecznego jest wykorzystywana do:
• rozkładu wody
• wytwarzania ATP
• redukcji NADP+ do NADPH
FOTOLIZA (ROZKŁAD WODY)
Kompleks enzymatyczny rozkładający wodę znajduje się
na wewnętrznej powierzchni błony tylakoidu i zawiera atomy
Ca, Cl i Mn (4 atomy) związane z białkiem
usuwany z chloroplastów przez dyfuzję
produkt uboczny
2H2O → 4H+ + O2 + 4e–
redukują utlenione atomy Mn
uwalniane do wnętrza pęcherzyka tylakoidu
SYNTAZA ATP
CF1
CF0
FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA
FOSFORYLACJA NIECYKLICZNA:
przepływ elektronów z H2O na NADP+
FOSFORYLACJA CYKLICZNA:
zwiększone zapotrzebowanie na ATP w stosunku do NADPH
uczestniczy tylko PSI
siłę napędową procesu stanowi gradient protonów
FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA A FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA
Siła napędowa:
 gradient stężenia protonów (M+CH)
 wytworzony elektrochemiczny potencjał transmembranowy (M)
CIEMNA FAZA FOTOSYNTEZY
NIEZALEŻNA OD ŚWIATŁA
Cykl Calvina-Bensona polega na:
wykorzystaniu siły asymilacyjnej (ATP i NADPH – produkty fazy
jasnej fotosyntezy) do wbudowania dwutlenku węgla w związki
organiczne
Niezbędne czynniki:
 ATP i NADPH – siła asymilacyjna
 CO2
 akceptor CO2
 układ enzymatyczny
(rubisco = karboksylaza 1,5-bisfosforan)
rośliny strefy zwrotnikowej
np.: kukurydza,
trzcina cukrowa
komórki
mezofilu kwasy organiczne
komórki
pochwy
okołowiązkowej
rośliny klimatu półpustynnego i pustynnego
Cactaceae, Bromeliaceae, Crassulaceae
wstępne wiązanie
CO2
noc
kwasy organiczne
pierwotnym akceptorem
CO2
PEP
cykl
Calvina
oddzielone
przestrzennie
cukry
przejściowe
związki 4-C
(szczawiooctan, jabłczan)
dzień
cykl
Calvina
rozdzielone
w czasie
cukry
Na podstawie analizy schematu wyjaśnij, uwzględniając kierunki
transportu, jakie znaczenie dla efektywnego przebiegu procesu
fotosyntezy ma sprzężenie transportu fosfotrioz i fosforanu.
skrobia asymilacyjna
Zadanie 8. (2 pkt)
Na dwóch grupach roślin (1 i 2) przeprowadzono
doświadczenie, mające na celu wykazanie, że CO2 jest
konieczny do procesu fotosyntezy. Przebieg doświadczenia
przedstawiono na rysunku (zaprezentowano tylko pojedyncze
rośliny z każdej grupy).
a) Określ, w liściach której rośliny (z grupy 1. czy 2.) po dwóch
dniach będzie można wykryć obecność większej ilości skrobi.
Odpowiedź uzasadnij.
b) Wyjaśnij, w jakim celu rośliny na początku doświadczenia
zostały umieszczone na kilka dni w miejscu bez dostępu
światła.
CZYNNIKI ZEWNĘTRZNE WPŁYWAJĄCE NA
AKTYWNOŚĆ FOTOSYNTETYCZNĄ ROŚLIN
 ŚWIATŁO
 DWUTLENEK WĘGLA
 TEMPERATURA
 DOSTĘPNOŚĆ WODY (wilgotność gleby i powietrza)
 DOSTĘPNOŚĆ SKŁADNIKÓW MINERALNYCH
aparaty szparkowe – rejon kontaktu:
roślina - atmosfera
Szparki regulują wymianę gazów i energii
między rośliną a atmosferą.
promieniowanie fotosyntetycznie czynne
1 – oddychanie komórkowe (oddychanie ciemniowe),
2 – świetlny punkt kompensacyjny,
3 – punkt wysycenia fotosyntezy,
4 – początek fotoinhibicji.
Zadanie 19. (2 pkt)
Uczniowie przygotowali do doświadczenia dwa zestawy (A i B) przedstawione
na rysunku. Zlewkę i probówki w zestawie A napełnili odstaną wodą
wodociągową, natomiast zlewkę i probówki w zestawie B – odstaną wodą
wodociągową, w której rozpuścili niewielką ilość wodorowęglanu potasu
(KHCO3). Oba zestawy umieścili obok siebie, w tej samej odległości od źródła
światła. Po pewnym czasie stwierdzili, że proces fotosyntezy przebiegał
intensywniej w roślinach z zestawu B niż w roślinach umieszczonych w
zestawie A.
a) Podaj parametr, za pomocą którego można określić
intensywność fotosyntezy w tym doświadczeniu.
b) Wyjaśnij, dlaczego w roślinach z zestawu B fotosynteza
przebiegała intensywniej.
Na uproszczonym schemacie przedstawiono struktury A i B
występujące w komórce roślinnej oraz procesy zachodzące
w tych strukturach.
Podaj nazwy tych struktur oraz nazwy procesów,
które w nich zachodzą.
A. Struktura ...chloroplast............. Proces ....fotosynteza
B. Struktura ...mitochondrium.. Proces ....oddychanie
Zadanie 17. (2 pkt)
Plastydy są organellami występującymi w komórkach roślinnych.
Formą wyjściową dla wszystkich rodzajów plastydów są
proplastydy, charakterystyczne dla komórek merystematycznych.
Na schemacie przedstawiono rodzaje plastydów oraz możliwości
ich przekształcania się.
b) Korzystając ze schematu, wyjaśnij, dlaczego bulwy ziemniaków
wystawione na działanie światła zielenieją po pewnym czasie.
Fizjologia roślin
pod red. Jana Kopcewicza i Stanisława Lewaka
Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012