FOTOSYNTEZA I CHEMOSYNTEZA. Prof. dr hab. Barbara Kieliszewska-Rokicka Instytut Biologii Środowiska

Transkrypt

1 FOTOSYNTEZA I CHEMOSYNTEZA Prof. dr hab. Barbara Kieliszewska-Rokicka Instytut Biologii Środowiska

2 Fotosynteza i chemosynteza są to procesy, w których organizmy żywe przekształcają CO 2 w związki organiczne przy pomocy energii Energia świetlna Energia chemiczna Fotosynteza Chemosynteza WĘGLOWODANY

3 Organizmy autotroficzne (samożywne) FOTOAUTOTROFY Rośliny zielone Glony Sinice Bakterie zielone Bakterie purpurowe CHEMOAUTOTROFY Bakterie nitryfikacyjne Bakterie siarkowe Bakterie żelaziste Bakterie wodorowe Bakterie utleniające proste węglowodory

4 FOTOSYNTEZA chlorofil nco 2 + nh 2 O + światło (CH 2 O)n + O 2

5 FOTOSYNTEZA Źródło związków organicznych Główne źródło energii metabolicznej dla organizmów heterotroficznych Podstawowy proces zapewniający utrzymanie życia na Ziemi

6 Liście Łodyga Liścienie Owoce Miejsce fotosyntezy

7 Szparki rejon kontaktu: roślina - atmosfera Szparki regulują wymianę gazów i energii między rośliną a atmosferą.

8 Chloroplast (długość: 3-10 μm)

9 Granum tylakoidów Cząsteczki chlorofilu Błona tylakoidu Feoporfiryna - układ wiązań sprzężonych Fitol 20-węgłowy alkohol

10 Barwniki fotosyntetycznie czynne Chlorofil a Chlorofil b Ksantofile Główny barwnik fotosyntetyczny Pomocniczy barwnik fotosyntetyczny Barwniki pomocnicze Karoteny Barwniki pomocnicze

11 Światło fotosyntetycznie czynne

12 Absorpcja światła przez barwniki fotosyntetyczne

13 Wartość energii światła widzialnego Długość fali światła (nm) Barwa światła Energia J/mol Energia fotonu (ev/foton) 700 Czerwona 17, , Żółta 19, , Niebieska 23, ,48

14 Organizacja barwników w błonach tylakoidów Kompleksy barwnikowo-lipidowo-białkowe - fotoukłady = fotosystemy (PS I, PS II) około 500 cząsteczek chlorofilu a barwniki pomocnicze ANTENY ENERGETYCZNE energię wzbudzenia przenoszą do centrum reakcji fotochemicznej Centrum reakcji fotochemicznej dwie cząsteczki chlorofilu a

15 Lokalizacja procesu fotosyntezy w chloroplaście Faza zależna od światła (faza jasna) - błony tylakoidów Faza niezależna od światła (faza ciemna) - stroma

16 MATURA 2009 ZADANIE: Na rysunku przedstawiono przekrój poprzeczny liścia rośliny dwuliściennej. A Podaj pełną nazwę tkanki (A) zaznaczonej na rysunku oraz określ przystosowanie jej budowy do pełnionej funkcji. Nazwa: Miękisz asymilacyjny palisadowy Przystosowanie: Posiada liczne chloroplasty zawierające chlorofil, który jest czynnikiem niezbędnym w procesie fotosyntezy.

17 Etapy fazy zależnej od światła 1. Absopcja światła i reakcje fotochemiczne 2. Transport elektronów 3. Fosforylacja fotosyntetyczna Energia światła słonecznego jest wykorzystywana do rozkładu wody wytwarzania ATP redukcji NADP+ do NADPH

18 ETAP 1. FAZY JASNEJ - REAKCJE FOTOCHEMICZNE Kompleksy barwnikowo-lipidowo-białkowe (PS I, PS II) absorbują światło i przenoszą na chlorofil w centrum reakcji Fotoliza wody Foton światła wybija elektron z cząsteczki chlorofilu centrum reakcji Wzbudzony elektron jest przekazywany na akceptor Powrót chlorofilu do stanu wyjściowego jest związany z wydzieleniem energii w postaci światła i ciepła

19 Fotoliza wody Fotolizę wody katalizuje kompleks enzymatyczny fotoukładu II (PS II) współpracujący z jonami Mn 2+, Ca 2+, Cl - 2 H 2 O O H + + 4ē

20 Fluorescencja chlorofilu Liść oświetlony Liść zacieniony

21 ETAP 2. FAZY JASNEJ - TRANSPORT ELEKTRONÓW PS II (Chl 680 nm) tylakoidy gran PS I (Chl 700 nm) tylakoidy stromy feofityna Vit. K1 plastochinon kompleks cytochromowy plastocyjanina 2 H 2 O O H + + 4ē

22 PS I ē centrum Fe/S ē cytochromy ē ferredoksyna ē NADP + Reduktaza ferredoksyna - NADP NADPH

23 ETAP 3 FAZY JASNEJ FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA Fosforylacja fotosyntetyczna jest to proces syntezy związku bogatego w energię (ATP) w wyniku funkcjonowania fotosyntezy. Niezbędne czynniki: ADP + Pi Gradient stężenia H + (siła napędowa procesu fosforylacji)

24 MATURA 2013 ZADANIE 20 Na schematach A i B przedstawiono niecykliczny i cykliczny obieg elektronów podczas fazy zależnej od światła procesu fotosyntezy, określany też jako fosforylacja niecykliczna i cykliczna. Wymień dwie, widoczne na schematach A i B, różnice w przebiegu tych procesów.

25 Odpowiedź 1. W niecyklicznym transporcie pracują razem dwa fotosystemy PS II i PS I. Transport cykliczny jest prostym obiegiem elektronów, wykorzystującym tylko fotosystem I, a nie fotosystem II. 2. W niecyklicznej fosforylacji ATP jest wytwarzane w otwartym układzie transportu elektronów, równocześnie z wydzieleniem O2 i H2O i redukcją NADP do NADPH2. W cyklicznej fosforylacji elektrony krążą w układzie zamkniętym przez miejsce fosforylacji, a ATP jest jedynym produktem tego procesu.

26 Matura 2012 ZADANIE Na proces fotosyntezy składają się reakcje zależne i reakcje niezależne od światła. Spośród poniższych zdań zaznacz dwa, które zawierają prawdziwe informacje dotyczące przebiegu i lokalizacji reakcji fotosyntezy. A. Wykorzystanie energii świetlnej w procesie fotosyntezy umożliwiają cząsteczki chlorofilu zgrupowane w tzw. fotoukładach, w stromie chloroplastu. B. Produkcja ATP i NADPH jest rezultatem inicjowanej przez światło wędrówki elektronów przez łańcuch przenośników oraz fotolizy wody. C. W czasie reakcji fosforylacji cyklicznej, odbywającej się w tylakoidach chloroplastów, zachodzi synteza ATP połączona z powstawaniem NADPH. D. Wytworzone NADPH jest wykorzystywane w cyklu Calvina do syntezy cukru (aldehydu 3-fosfoglicerynowego), jako czynnik utleniający i jako źródło energii. E. W cyklu Calvina przekształcanie dwutlenku węgla w cukier (aldehyd 3-fosfoglicerynowy) rozpoczyna się przyłączeniem cząsteczki dwutlenku węgla do cząsteczki pięciowęglowego związku organicznego.

27 Faza niezależna od światła Procesy: Asymilacja CO2; Dwutlenek węgla jest wykorzystywany do syntezy cukrów prostych; Niezbędne czynniki: Rybulozo-bis-fosforan; CO2; ATP; NADPH; Niezbędne enzymy;

28 Etapy fazy niezależnej od światła Etap I - Karboksylacja Rybulozo-1,5-bisfosforan Rubisco Etap II Regeneracja Akceptora CO 2 Cykl Calvina -Bensona Etap II - Redukcja Kwas 3-fosfoglicerynowy (PGA) Aldehyd 3-fosfoglicerynowy (fosfotrioza)

29 MATURA 2009

30 ZADANIA: Na uproszczonym schemacie przedstawiono fazę jednego z ważnych procesów metabolicznych zachodzących u roślin. a) Faza przedstawiona na schemacie nazywa się A. cykl Calvina B. cykl Krebsa C. łańcuch oddechowy D. faza jasna fotosyntezy b) Podaj dokładną lokalizację w komórce roślinnej przedstawionej powyżej fazy. Stroma chloroplastu c) Wymień dwa składniki siły asymilacyjnej biorącej udział w powyższej fazie. ATP, NADPH

31 Substraty i produkty fotosyntezy Światło 12 H 2 O Reakcje zależne od światła 6 O 2 ATP NADPH ADP NADP + 6 CO 2 Reakcje niezależne od światła 6 H2O 10 cz. PGA - regeneracja 2 cz. RuBP 12 cząsteczek PGA 2 cz. PGA - synteza 1 cz. heksozy

32 MATURA 2011 ZADANIA: 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

33 Synteza skrobi asymilacyjnej i sacharozy CYTOZOL Błona chloroplastu STROMA CHLOROPLASTU Skrobia asymilacyjna Skrobia sacharoza

34 MATURA 2010 ZADANIE: Na schemacie przedstawiono udział przenośnika fosforanowego w transporcie fosfotrioz i fosforanu. Pominięto zewnętrzną błonę chloroplastu i przestrzeń międzybłonową. Na podstawie analizy schematu wyjaśnij, uwzględniając kierunki transportu, jakie znaczenie dla efektywnego przebiegu procesu fotosyntezy ma sprzężenie transportu fosfotrioz i fosforanu.

35 Odpowiedź Przenośnik fosforanowy przerzuca fosfotriozy z chloroplastu do cytozolu z jednoczesnym transportem fosforanu nieorganicznego z cytozolu do chloroplastu. Proces fotosyntezy funkcjonuje efektywnie dzięki ciągłemu uzupełnianiu ubytku fosforanów w stromie chloroplastów, spowodowany eksportem fosfotrioz. Fosfotriozy są zużywane w cytozolu do produkcji sacharozy, a w tym procesie uwalniany jest fosforan nieorganiczny, który transportowany jest z powrotem do chloroplastu.

36 Transport produktów fotosyntezy Sacharoza jest głównym produktem fotosyntezy transportowanym w roślinie Transport sacharozy z komórek miękiszowych do floemu jest aktywny z udziałem pompy protonowej i nośnika białkowego.

37 FOTOODDYCHANIE Rybulozo-1.5- bisfosforan O 2 Chloroplast Peroksysom Mitochondrium RUBISCO oksygenaza Kwas fosfoglikolowy Kwas 3- fosfoglicerynowy (PGA)

38 FOTOSYNTEZA - CYKL CALVINA CO 2 H 2 O Rybulozo-1,5-bisfosforan 1,5-bisfosfo-2-karboksy- 3-ketoarabinitol RUBISCO karboksylaza 2 x Kwas 3-fosfoglicerynowy (PGA)

39 Enzym RUBISCO karboksylaza / oksygenaza rybulozo- 1,5-bisfosforanowej Kierunek katalizowanej reakcji zależy od stosunku stężeń [CO 2 ] : [O 2 ] CO 2-0,036%, O 2 21% - karboksylacja > ok. 3x > utlenianie CO2 < 0,03%, O2 > 21% - nasila się utlenianie

40 Znaczenie fotooddychania Uwalnia związany wcześniej CO 2 Przynosi roślinie straty energetyczne Zmniejsza produktywność roślin Prawdopodobnie chroni aparat fotosyntetyczny przed uszkodzeniem

41 Czynniki środowiska wpływające na fotosyntezę 1. Natężenie światła 2. Stężenie CO 2 w atmosferze 3. Temperatura 4. Wilgotność powietrza i gleby 5. Dostępność pierwiastków mineralnych

42 Absorpcja CO2 Wpływ natężenia światła na intensywność fotosyntezy Świetlny punkt kompensacyjny jest to takie natężenie światła, przy którym ilość CO2 pobrana w procesie fotosyntezy i ilość CO2 wydzielona w procesie oddychania równoważą się. Punkt wysycenia światłem jest to natężenie światła, powyżej którego nie wzrasta intensywność fotosyntezy.

43 Co za dużo to niezdrowo czyli FOTOINHIBICJA Hamowanie fotosyntezy przez nadmiar światła Możliwe uszkodzenie fotosystemów Strategie obronne roślin Przemieszczanie chloroplastów Heliotropizm Fotooddychanie

44 Wpływ natężenia CO 2 (temperatury) na intensywność fotosyntezy Punkt kompensacyjny CO2 / temperatury jest to takie stężenie CO2, przy którym ilość CO2 pobrana w procesie fotosyntezy i ilość CO2 wydzielona w procesie oddychania równoważą się. Punkt wysycenia CO2 / temperatury jest to stężenie CO2, powyżej którego nie wzrasta intensywność fotosyntezy.

45 MATURA 2013 A B H 2 O H 2 O Zestaw A moczarka kanadyjska w odstanej wodzie wodociągowej. Zestaw B moczarka kanadyjska w wodzie z dodatkiem wodorowęglanu potasu. 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. KHCO 3

46 Odpowiedzi a. Pomiar ilości uwalnianego przez rośliny tlenu. b. Wodorowęglan potasu stanowił źródło dwutlenku węgla niezbędnego do procesu fotosyntezy.

47 Stężenie CO 2 w atmosferze systematycznie wzrasta

48 Dwa efekty biologiczne podwyższonego stężenia CO 2 (od >100 lat): (1) Stymulacja fotosyntezy i produkcji węglowodanów (2) Redukcja otworów szparkowych (oszczędność wody)

49 Fotosynteza u roślin typu C-3 Pierwotny produkt włączania CO 2 - trójwęglowy kwas 3-fosfoglicerynowy (PGA) Jeden szlak włączania CO2 Fotosynteza osiąga nasycenie przy 1/5 nasłonecznienia Mała wydajność zużycia wody Wysoki punkt kompensacyjny CO 2 (30-80 ppm) Szparki otwarte w dzień Rośliny umiarkowanie produktywne

50 Fotosynteza roślin typu C - 4 Dwa szlaki włączania CO2 rozdzielone przestrzennie. Pierwotnym produktem włączania CO 2 jest czterowęglowy kwas szczawiooctowy Rośliny zaadoptowane do wysokiej temperatury, silnego światła i półsuchego środowiska. Niski punkt kompensacyjny CO 2 (<10 ppm). Brak fotooddychania. Szparki otwarte w dzień Bardzo produktywne

51 Anatomia liści roślin C-4

52 Fotosynteza roślin typu C-4 jest rozdzielona przestrzennie Komórka mezofilu Cykl Hatcha i Slacka Komórka pochwy okołowiązkowej

53 Fotosynteza roślin typu CAM (crassulacean acid metabolism) Dwa szlaki włączania CO 2 rozdzielone w czasie. Produktem włączania CO 2 w ciemności jest szczawiooctan (czterowęglowy), a na świetle fosfoglicerynian (trójwęglowy). Typowe rośliny obszarów gorących i suchych Niski punkt kompensacyjny CO 2 (<5 ppm). Brak fotooddychania. Szparki otwarte w nocy

54 C -4 CAM Trzcina cukrowa Ananas Komórka mezofilu Komórka pochwy okołowiązkowej Noc Dzień

55 Nagrody Nobla w dziedzinie fotosyntezy 1961 Calvin za wyjaśnienie drogi fotosyntetycznej redukcji węgla w komórkach fotosyntetyzujących glonów; 1965 Woodward za syntezę chlorofilu i potwierdzenie jego budowy; 1978 Mitchell za wyjaśnienie w 1961 r. mechanizmu wytwarzania ATP w chloroplastach i mitochondriach (teoria chemiosmotyczna); 1988 Deisenhofer, Huber i Michel za uzyskanie w postaci krystalicznej centrum reakcji fotosyntetycznych z bakterii purpurowych;

56 Reakcje fotosyntezy u bakterii Sinice autotrofy, aeroby chl a - PS I (P-700 nm), PS II (P-680 nm) Źródło elektronów H 2 O Bakterie zielone autotrofy i heterotrofy, Bakteriochlorofile (P 840, P 865) Źródło elektronów H 2, H 2 S, Na 2 S 2 O 3, S 0 Bakterie purpurowe autotrofy, heterotrofy Bakteriochlorofile Źródło elektronów - proste związki organiczne, H2, H2S, Na 2 S 2 O 3, S 0

57 Chemosynteza proces przekształcanie CO2 w związki organiczne z wykorzystaniem energii pochodzącej z utleniania różnych związków nieorganicznych lub prostych jednowęglowych związków organicznych. ZNACZENIE CHEMOSYNTEZY - udział w obiegu pierwiastków ważnych pod względem biologicznym: azot, węgiel, fosfor

58 ETAPY CHEMOSYNTEZY 1) Utlenienie związku chemicznego z wytworzeniem energii (ATP) 2) Asymilacja CO 2 i synteza glukozy (cykl Calvina Bensona)

59 Bakterie nitryfikacyjne Utleniają amoniak do azotynów lub azotyny do azotanów. Nitrosomonas 2 NH 3 + O 2 2 HNO H 2 O KJ Nitrobacter 2HNO 2 + O 2 2 HNO KJ

60 Bakterie siarkowe Utleniają siarkę lub siarkowodór Beggiatoa 2 H 2 S + O 2 2 S + 2 H 2 O KJ Thitrix 2 S + H 2 O + O 2 2 H 2 SO KJ

61 Bakterie żelazowe Utleniają sole żelaza (II) do soli żelaza (III) Ferrobacillus 2 Fe(HCO 3 ) 2 + ½ O 2 + H 2 O 2 Fe(OH)3 + 4 CO KJ

62 Bakterie wodorowe Utleniają wodór cząsteczkowy do wody Hydrogenomonas 2 H2 + O2 2 H2O KJ

63 Bakterie utleniające proste węglowodory Metan CH O 2 CO 2 + H 2 O KJ

64

65 ZADANIE: Wśród wymienionych niżej procesów zaznacz dwa, które są procesami anabolicznymi. A. Fermentacja alkoholowa B. Chemosynteza C. Hydroliza skrobi D. Oddychanie tlenowe E. Replikacja DNA MATURA