Fotosynteza

Temat lekcji:Fotosynteza-autotroficzne odżywianie się organizmów.

Autotrofy (organizmy samożywne) - mają zdolność do przemiany prostych związków nieorganicznych w złożone związki organiczne. Dzieje się to w procesie fotosyntezy z wykorzystaniem energii słonecznej lub chemicznej w przypadku chemosyntezy. Heterotrofy (organizmy cudzożywne) - korzystają ze związków organicznych wytworzonych przez organizmy samożywne. Zjadają inne organizmy.

Fotosynteza - jest to proces zachodzący przede wszystkim u roślin oraz protistów roślinopodobnych i u niektórych grup bakterii. Jest to proces anaboliczny. Jako substraty organizm wykorzystuje najczęściej wodę i CO2 z powietrza. W wyniku złożonego ciągu reakcji powstaje aldehyd fosfoglicerynowy, z którego dalej mogą powstawać glukoza oraz inne bardziej złożone węglowodany, białka czy tłuszcze. W fotosyntezie, energia słoneczna zostaje przekształcona w energię związków chemicznych. Produktem ubocznym procesu w przypadku roślin jest tlen.

Budowa chloroplastu

Miejsce zachodzenia fotosyntezy w chloroplaście

U roślin fotosynteza przebiega w dwóch fazach: 1) Faza jasna (zależna od światła) - zachodzi w tylakoidach chloroplastów i wymaga udziału energii świetlnej 2) Faza ciemna ( niezależna od światła, cykl Calvina) - zachodzi w stromie chloroplastów i wymaga produktów fazy jasnej fotosyntezy.

Charakterystyka wybranych barwników fotosytnetycznych

Budowa chlorofilu

Cząsteczka chlorofilu jest zbudowana z pierścienia porfirynowego oraz reszty fitolu - 20 węglowego alkoholu .W centralnej części pierścienia znajduje się wzbudzany światłem atom magnezu. Pierścien porfirynowy ma zdolność absorpcji promieniowania świetlnego. Funckją hydrofobowego łańcucha fitolu jest zakotwiczenie cząsteczki chlorofilu w błonie tylakoidu. Chlorofile a i b różnią się od siebie grupą dołączoną do pierścienia. Chlorofil a posiada grupę metylową CH3 a chlorofil b grupę aldehydową CHO.

Widmo absorpcyjne chlorofili a i b

Budowa i działanie fotosystemu

Fotosystemy są strukturami barwnikowo - białkowo - lipidowymi, warunkującymi przebieg reakcji fotochemicznych w fazie zależnej od światła. Każdy fotosystem zawiera centrum reakcji oraz anteny energetyczne . W centrum reakcji znajduje się para cząsteczek chlorofilu a także pierwotny akceptor elektronów. Natomiast anteny energetyczne składają się z kilkuset cząsteczek chlorofili i karotenoidów a ich funkcją jest pochłanianie i przekazywanie energii do centrum reakcji. Dzięki temu z cząsteczki chlorofilu znajdującego się z centrum rekacji może zostać wybity elektron wychwytywany następnie przez pierwotny akceptor elektronów.

Rodzaje fotosystemów u roślin

Fotosystem II (PS II)

Fotosystem I (PS I)

• Chlorofil znajdujący się w centrum reakcji wykazuje maksimum absorpji przy długości fali 680nm dlatego jest nazywany P-680.
• Barwnikiem pomocniczym jest najczęściej ksantofil.

• Chlorofil znajdujący się w centrum reakcji wykazuje maksimum absorpji przy długości fali 700nm dlatego jest nazywany P-700.

• Barwnikiem pomocniczym jest najczęściej karoten.

Faza zależna od światła

*Istotą tej fazy jest przekształcenie energii świetlnej w energię chemiczną, magazynowaną w postaci ATP i NADPH + H+ . Oba te związki stanowią tzw. siłę asymilacyjną, która jest niezbędna do drugiej fazy fotosyntezy, niezależnej od światła. *Powstawanie siły asymilacyjnej jest związane z właściwościami chlorofilu ponieważ jego wzbudzone światłem cząsteczki uwalniają elektrony, które są transportowane przez szereg przenośników znajdujących się w błonie tylakoidu. *Przemieszczanie się elektrónów wzdłuż szlaków powoduje różnicą w liczbie protonów po obu stronach błony. Nadmiar protonów z wnętrza tylakoidów jest przenoszony do stromy przez enzym zwany syntazą ATP. Napędza to synteze ATP. * Energia potrzebna do wytworzenia ATP pochodzi z fotonów, stąd nazwa procesu fosforylacja fotosyntetyczna.

Działanie syntazy ATPhttps://www.youtube.com/watch?v=3y1dO4nNaKY

Faza zależna od światła

Faza zależna od światła

1. Pod wpływem światła cząsteczka wody ulega fotolizie czyli rozkładowi do dwóch elektronów, dwóch protonów oraz jednego atomu tlenu. 2. Dwie cząsteczki chlorofilu a znajdujące się w centrum reakcji PS II, odbierają energię pobudzenia od barwników antenowych i uwalniająją dwa elektrony. 3.Elektrony uwolnione z centrum reakcji PS II są odbierane przez pierwotny akceptor elektronów i przekazywane na łańcuch przenośników elektronów uszeregowanych według wzrastającego potencjału redoks. 4. W centrum reakcji PS I dwie cząsteczki chlorofilu a odbierają energię pobudzenia od barwników antenowych i uwalniają dwa elektrony. 5. Elektrony z centrum reakcji PS I są odbierane przez pierwotny akceptor elektronów i przekazywane na łańcuch przenośników elektronów. Ich ostatecznym akceptorem jest NADP+, który ulega redukcji do NADP + H. Powstaje pierwszy składnik siły asymilacyjnej. 6. Transportowi elektronów z cząsteczki wody na NADP+ towarzyszy wytworzenie gradientu protonów w poprzek błony tylakoidu. Wewnątrz tylakoidu znajdują się protony pochodzące z fotolizy wody oraz protony przetransportowane ze stromy przez przenośniki łańcucha elektronów. Gradient protonowy napędza fosorylację fotosyntetyczną - syntezę ATP z ADP i P zachodzącą z udziałem kompleksu enzymatycznego - syntaza ATP. Powstaje drugi składnik siły asymilacyjnej.

Fosforylacja fotosyntetyczna

Fosforylacja cykliczna

Fosforylacja niecykliczna

Zachodzi w optymalnych warunkach natężenia światła i CO2 Wymaga udziału obu fotosystemów Prowadzi do wytworzenia ATP i NADPH + H+ Produktem ubocznym jest tlen pochodzący z fotolizy wody W tym przypadku jest to całoksztalt przemian fotochemicznych prowadzący do wytworzenia siły asymilacyjnej.

Zachodzi w warunkach silnego oświetlenia i małego stężenia CO2 Przebiega z udziałem tylko fotosystemu I Prowadzi do wytworzenia tylko ATP Nie uwalnia się tlen ponieważ nie dochodzi do fotolizy wody.

Faza niezależna od światła (Cykl Calvina)

Faza ta polega na asymilacji, czyli wiązaniu dwutlenku węgla w cyklu reakcji biochemicznych nazywanym cyklem Calvina (od nazwiska naukowca, który jest jego odkrywcą). Faza ta wymaga stałego dopływu produktów fazy jasnej w postaci siły asymilacyjnej czyli ATP i NADPH + H+ . Cykl Calvina składa się z trzech etapów : karboksylacja, redukacja, regeneracja.

Faza niezależna od światła (Cykl Calvina)

Faza niezależna od światła (Cykl Calvina)

1) Karboksylacja - polega na przyłączeniu CO2 do 5-węglowego akceptora - rybulozo - 1,5- bisfosforanu (RuBP) z udziałem enzymu karboksylazy rybulozobisfosforanowej (RuBisCO). W wyniku tej reakcji powstaje nietrwały 6-węglowy związek (C6), który praktycznie od razu rozpada się na dwie cząsteczki kwasu 3 - fosfoglicerynowego (C3). 2) Redukcja - polega na redukcji kwasu 3 - fosfoglicerynowego do aldehydu 3-fosfoglicerynowego (C3) elektronami pochodzącymi z NADPH + H+, przy udziale energii z rozkładu ATP. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy jest pierwotnym produktem fotosyntezy, wykorzystywanym do syntezy wtórnych produktów fotosyntezy (związków organicznych niezbędnych komórce). 3) Regeneracja - polega na odtworzeniu akceptora CO2 czyli rybulozo - 1,5- bisfosforanu. Substratem do syntezy RuBP jest 5 cząsteczek aldehydu 3 - fosfoglicerynowego. W jednym cyklu przemian z sześciu cząsteczek aldehydu 3 - fosfoglicerynowego zaledwie jedna cząsteczka stanowi zysk fotosyntezy.

Wtórne produkty fotosyntezy

Podsumowanie fazy jasnej i ciemnej fotosyntezy

Faza ciemna

Faza jasna

• Zachodzi w stromie chloroplastów.

• Wymaga dostępu do produtów fazy jasnej (ATP i NADPH + H+).

• Pierwotnym produktem jest aldehyd 3 - fosfoglicerynowy.

• Produktami wtórnymi są cukry, białka, tłuszcze i inne związki organiczne.

• Zachodzi w tylakoidach chloroplastów.

• Wymaga udziału energii świetlnej.

• Produktem jest tzw. siła asymilacyjna (ATP i NADPH + H+) niezbędna do fazy ciemnej fotosyntezy.

• Produktem ubocznym jest tlen.

Fotooddychanie (fotorespiracja)

- Zachodzi u roślin w warunkach małego stężenia CO2 a dużego stężenia O2 w komórkach. Ma to miejsce podczas gorących dni przy dużym nasłonecznieniu i niedoborze wody. Roślina wtedy zamyka aparaty szparkowe. - Fotooddychanie zachodzi dzięki specyficznym właściwościom karboksylazy rybulozobisfosforanowej (RuBisCO), który w warunkach dużego stężenia CO2 działa jako karboksylaza natomiast w warunkach dużego stężenia O2 działa jako oksygenaza. - Przyłączenie O2 do RuBisCO powoduje wytworzenie jednej cząsteczki kwasu 3 - fosfoglicerynowego zamiast dwóch. Co przyczynia się do ogólnego spadku wydajności fotosyntezy.

-Fotooddychanie rożni się od oddychania tym, że nie powstaje w jego wyniku ATP, natomiast energia jest zużywana w tym procesie. - Nie zachodzi u roślin typu C4 i CAM (magazynują one CO2)

Fotosynteza u roślin C3 i C4

C4

C3

• Pochodzą ze wszystkich stref klimatycznych
• Aparaty szparkowe zamknięte w nocy a otwarte w dzień. Dzięki temu CO2 jest dostarczany w tym samym czasie kiedy zachodzi faza jasna.
• Pierwszym produktem karboksylacji jest związek 3- węglowy (kwas 3-fosfoglicerynowy).

• Rośliny pochodzą ze zwrotnikowej strefy klimatycznej.
• W celu ochrony przed nadmierną transpiracją aparaty szparkowe są zamknięte w ciągu dnia a otwarte w nocy.
• Asymilacja CO2 i faza jasna zachodzi w miękiszu asymilacyjnym, natomiast w komórkach pochwy okołowiązkowej zachodzi asymilacja CO2 do cyklu Calvina.
• Pierwotnym produktem karboksylacji jest związek 4-węglowy (szczawiooctan).

Fotosynteza u roślin C3 i C4

Fotosynteza u roślin C4

Fotosynteza u roślin C3 i C4

Fotosynteza u roślin C3 i C4

Fotosynteza roślin CAM

Grubosz jajowaty

• Rośliny CAM (kwasowe) rosną w klimacie suchym narażonym na utratę wody.

• Fotosynteza zachodzi podobnie jak u roślin C4 ale różnią się tym, że jabłczan jest u nich magazynowany w wakuolach.

• Asymilacja CO2 zachodzi w nocy, kiedy aparaty szparkowe są otwarte, a w dzień CO2 jest odłączany od zmagazynowanego jabłczanu i ulega przemianom w cyklu Calvina.

https://www.urzadzamy.pl/rosliny/doniczkowe/grubosz-jajowaty-owalny-aa-oog2-XgYX-tLK9.html

Jakie znaczenie w przyrodzie ma fotosynteza?

Znaczenie fotosyntezy

* Jest głównym procesem prowadzącym do produkcji materii organicznej. Rośliny są producentami w większości ekosystemów autotroficznych. *Jest źródłem tleny atmosferycznego. *Wiąże dwutlenek węgla z atmosfery (zabezpiecza w ten sposób przed efektami cieplarnianymi). *Uczestniczy w obiegu pierwiastków w przyrodzie (głównie w obiegu węgla).

Sprawdźmy ile zapamiętaliście !

https://learningapps.org/display?v=ponix7i7221

https://learningapps.org/display?v=pmtxsfm9j21

https://learningapps.org/display?v=ppowqyxyk21

https://learningapps.org/display?v=piq40hq9321