Bliskie spotkania z biologią FOTOSYNTEZA. dr inż. Magdalena Kulczyk-Skrzeszewska Katedra Mykologii i Mykoryzy Instytut Biologii Środowiska

Transkrypt

1 Bliskie spotkania z biologią FOTOSYNTEZA dr inż. Magdalena Kulczyk-Skrzeszewska Katedra Mykologii i Mykoryzy Instytut Biologii Środowiska

2 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

3 FOTOSYNTEZA anaboliczny proces biochemiczny syntezy związków organicznych z prostych nieorganicznych substancji chemicznych pod wpływem promieniowania słonecznego. chlorofil 6CO H 2 O + światło C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O

4 LOKALIZACJA PROCESU FOTOSYNTEZY liście tkanki zielone: łodyga owoce liścienie Fotosynteza zachodzi w wyspecjalizowanych organellach komórkowych - chloroplastach

5 CHLOROPLASTY ENERGIA SŁONECZNA H 2 O CHLOROFIL A O 2 WĘGLOWODANY CO 2

6 CHLOROPLASTY

7 FAZA ŚWIETLNA ETAPY FOTOSYNTEZY 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 CO 2 i wbudowania go w związki organiczne

8 CHLOROPLASTY lokalizacja faz procesu fotosyntezy FAZA CIEMNA

9 BŁONY FOTOSYNTETYCZNE błona zewnętrzna chloroplastu stroma tylakoidy stromy DNA tylakoidy granum

10 układ wiązań sprzężonych chlorofil a chlorofil b reszta fitolu feoporfiryna

11 BARWNIKI W BŁONACH FOTOSYNTETYCZNYCH CHLOROFILE KAROTENOIDY FIKOBILINY KAROTENY KSANTOFILE barwniki pomocnicze: anteny ochrona przed fotooksydacją

12 Światło a chloroplasty

13

14 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.

15 FOTOSYSTEM I (PSI) FOTOSYSTEM II (PSII) ilość cząsteczek chlorofilu ok. 200 ok kompleks chlorofilowobiałkowy (LHC) centrum reakcji fotochemicznej LHC I: chlorofil a polipeptydy P-700 przekaźnik elektronów A 0 witamina K 1 (A 1 ) centrum żelazowo-siarkowe (F x ) polipeptydy wiążące ferredoksynę i plastocyjaninę LHC II: chlorofil a i b luteina fosfatydyloglicerol digalaktozylodiacyloglicerol CP43, CP47, CP27, CP24,CP26, CP29 P-680 polipeptydy (D 1 i D 2 ) feofityna, β-karoten cytochrom b 559 CP43, CP47

16

17 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

18

19 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 2H 2 O 4H + + O 2 + 4e uwalniane do wnętrza pęcherzyka tylakoidu redukują utlenione atomy Mn

20

21 SYNTAZA ATP CF 1 CF 0

22 FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA FOSFORYLACJA NIECYKLICZNA: przepływ elektronów z H 2 O na NADP + FOSFORYLACJA CYKLICZNA: zwiększone zapotrzebowanie na ATP w stosunku do NADPH uczestniczy tylko PSI siłę napędową procesu stanowi gradient protonów

23

24 FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA A FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA Siła napędowa: gradient stężenia protonów (M+CH) wytworzony elektrochemiczny potencjał transmembranowy (M)

25 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 CO 2 akceptor CO 2 układ enzymatyczny (rubisco = karboksylaza 1,5-bisfosforan)

26

27 rośliny strefy zwrotnikowej np.: kukurydza, trzcina cukrowa rośliny klimatu półpustynnego i pustynnego Cactaceae, Bromeliaceae, Crassulaceae komórki mezofilu kwasy organiczne wstępne wiązanie CO 2 kwasy organiczne noc komórki pochwy okołowiązkowej oddzielone przestrzennie cykl Calvina cukry pierwotnym akceptorem CO 2 PEP przejściowe związki 4-C (szczawiooctan, jabłczan) cykl Calvina cukry dzień rozdzielone w czasie

28 Na podstawie analizy schematu wyjaśnij, uwzględniając kierunki transportu, jakie znaczenie dla efektywnego przebiegu procesu fotosyntezy ma sprzężenie transportu fosfotrioz i fosforanu.

29 skrobia asymilacyjna

30

31 Zadanie 8. (2 pkt) Na dwóch grupach roślin (1 i 2) przeprowadzono doświadczenie, mające na celu wykazanie, że CO 2 jest konieczny do procesu fotosyntezy. Przebieg doświadczenia przedstawiono na rysunku (zaprezentowano tylko pojedyncze rośliny z każdej grupy).

32 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.

33 CZYNNIKI ZEWNĘTRZNE WPŁYWAJĄCE NA AKTYWNOŚĆ FOTOSYNTETYCZNĄ ROŚLIN ŚWIATŁO DWUTLENEK WĘGLA TEMPERATURA DOSTĘPNOŚĆ WODY (wilgotność gleby i powietrza) DOSTĘPNOŚĆ SKŁADNIKÓW MINERALNYCH

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

35 promieniowanie fotosyntetycznie czynne 1 oddychanie komórkowe (oddychanie ciemniowe), 2 świetlny punkt kompensacyjny, 3 punkt wysycenia fotosyntezy, 4 początek fotoinhibicji.

36

37 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 (KHCO 3 ). 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.

38 a) Podaj parametr, za pomocą którego można określić intensywność fotosyntezy w tym doświadczeniu. b) Wyjaśnij, dlaczego w roślinach z zestawu B fotosynteza przebiegała intensywniej.

39

40

41 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

42 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.

43 b) Korzystając ze schematu, wyjaśnij, dlaczego bulwy ziemniaków wystawione na działanie światła zielenieją po pewnym czasie.

44 Fizjologia roślin pod red. Jana Kopcewicza i Stanisława Lewaka Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012