Fotosynthese - Don Bosco Hechtel

in cellen
DEEL 2 Stof- en energieomzettingen
Thema
5
STOF-EN ENERGIEOMZETTINGEN BIJ
AUTOTROFE
ORGANISMEN
1
Autotrofe versus
heterotrofe organismen
1.1 Autotrofe organismen
1.2 Heterotrofe organismen
1.1 Autotrofe organismen
 Autotrofe organismen: in staat om zelf energierijke
ingewikkelde C-verbindingen op te bouwen vanuit CO2
 Fotosynthese gebruikt lichtenergie
(planten, algen en sommige bacteriën)
 Chemosynthese gebruikt chemische
energiebron (sommige bacteriën)
 Energie voor de levensprocessen
vrijgemaakt via celademhaling
Planten zijn foto-autotroof
Sommige bacteriën zijn chemo-autotroof
1.2 Heterotrofe organismen
 Heterotrofe organismen: via voedsel energierijke Cverbindingen opnemen.
(Dieren, fungi, vele ééncelligen en bacteriën)
 Voedsel verteert tot voedingsstoffen
 Energieproductie gebeurt ook door celademhaling.
Zwammen zijn heterotroof
Vergelijking autotrofe en heterotrofe organismen
2
ATP-ADP-systeem
 Universeel ATP-ADP-systeem: tijdelijke opslag van
chemische energie
 Adenosinetrifosfaat (ATP) bestaat uit:
• Adenine (organische base)
• Ribose (suiker, pentose)
• 3 fosfaatgroepen
 Afsplitsen fosfaat van ATP levert energie:
ATP
ADP + Pi + energie (± 30 kJ/mol)
Structuurformule ATP
 Vorming ATP vergt energie:
ADP + Pi + energie (± 30 kJ/mol)
 ATP is een energiedrager:
ATP
3
Fotosynthese
3.1 Voorwaarden voor fotosynthese
3.2 Globale reactievergelijking fotosynthese
3.1 Voorwaarden voor fotosynthese
3.1.1 Noodzaak van licht
 Experiment van Engelmann (1883)
vooral fotosynthese bij blauw en rood licht
Groene algen met spiraalvormige chloroplasten
Zuurstofminnende bacteriën
bij het rode en blauwe
gebied
 Experiment: licht noodzakelijk voor fotosynthese
• Aantonen via zetmeel (lugol).
Inval zonlicht = zetmeelsynthese
3.1.2 Noodzaak van chlorofyl (bladgroen)
 Experiment: chlorofyl noodzakelijk voor fotosynthese
• Aantonen via zetmeel (lugol).
Aanwezigheid chlorofyl
= zetmeelvorming
 Fotosynthese = bladgroenwerking
Aanwezigheid chlorofyl
= zetmeelvorming
3.1.3 Noodzaak van koolstofdioxide (CO2)
 Experiment: CO2 noodzakelijk voor fotosynthese
 Fotosynthese = koolstofdioxideassimilatie
Afwezigheid
CO2 = geen
zetmeelvor
ming
3.2 Globale reactievergelijking fotosynthese
Schematische voorstelling van het fotosyntheseproces
 Fotosynthese:
• energie van zonlicht
• glucose (zetmeel) aanmaken vanuit CO2 en H2O
• chlorofyl zet zonne-energie om in chemische
energie
• er wordt O2 gevormd
 De globale reactievergelijking van de fotosynthese:
6 CO2 + 12 H2O
C6H12O6 + 6H2O + 6 O2
Of vereenvoudigd:
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
4
Absorptie van licht
door chlorofyl
4.1 Zonlicht als energievorm
4.2 De rol van chlorofyl
4.1 Zonlicht als energievorm
 Planten gebruiken zonlicht als energiebron
 Licht:
• golfbeweging
• fotonen
Absorptie van licht door een blad
4.2 De rol van chlorofyl
4.2.1 Chlorofyl, een pigment in het inwendig
membraan van de chloroplast
 Chloroplasten absorberen licht en zetten dit om in
chemische energie.
 Chlorofylmoleculen zijn gelegen op de membranen
van de thylakoïden en grana.
Schematische weergave van chloroplast
Spiraalvormige
chloroplast in
Spirogyra sp.
Blaadje waterpest met
tientallen
chloroplasten
4.2.2 Andere bladpigmenten
 Verschillende pigmenten:
•
•
•
•
Chlorofyl a
Chlorofyl b
Xanthofyllen
Carotenoïden
 Experimenteel scheiden met papierchromatografie
4.2.3 Absorptiespectra van fotosynthetisch
actieve pigmenten
 Actieve pigmenten hebben een eigen
absorptiespectrum
Absorptiespectrum
van verschillende
pigmenten
4.2.4 Lichtabsorptie door chlorofylmoleculen
 Chlorfylmoleculen absorberen rood en blauwe licht
energie om elektronen in aangeslagen (geëxciteerde)
toestand te brengen
 De aangeslagen elektronen kunnen:
• terug naar grondtoestand vallen en warmte uitzenden
• terug naar grondtoestand vallen en licht uitstralen
(fluorescentie)
• terug naar grondtoestand vallen en energie doorgeven aan
een ander molecuul (resonantie-energieoverdracht)
• worden uitgestoten en opgevangen worden door een
elektronenacceptor waarbij lichtenergie
chemische
energie
5
Verloop van het
fotosyntheseproces
5.1 Lichtreacties van de fotosynthese
5.2 Donkerreacties van de fotosynthese
5.3 Overzicht van licht- en donkerreacties
5.1 Lichtreactie van de fotosynthese
 Lichtreactie bestaat uit:
• Fotolyse watermoleculen
• Fotofosforylatie, vorming ATP en NADPH + H+
 Speciale reactiecentra (fotosysteem II en I)
• Chlorofyl a: lichtenergie
chemische energie
• Chlorofyl b en andere pigmenten (antennechlorofyl)
absorberen licht (‘lichtvangers’) en door resonantieenergieoverdracht geven ze de energie door aan
fotosysteem I en II
• fotosystemen zullen elektronen afstaan via een
elektronentransportketen
Resonantieoverdracht tussen antennechlorofyl en fotosysteem
5.1.1 Fotolyse van H2O
 Door lichtenergie zal water gesplitst worden
Fotolyse
H2O
2 H+ + 2 e- + ½ O2
of 2 H2O
4 H+ + 4 e - + O 2
 2 H+ : zullen bij NADP-reductase zorgen voor vorming
van NADPH+H+
 2 e- : zullen het elektronentekort opvullen van
fotosysteem II
 O2 : afvalstof, verlaat het blad via de huidmondjes
5.1.2 Fotofosforylatie
 Fotosysteem II wordt aangeslagen
elektronen doorgegeven aan fotosysteem I
 Energie van de uitgestoten elektronen wordt gebruikt
om via protonenpomp H+-ionen binnen de
thylakoïden te pompen.
 Er ontstaat een protonengradiënt (meer H+-ionen in
de thylakoïden)
 Via ATP-synthasecomplex worden de H+-ionen naar
buiten getransporteerd, energie wordt gebruikt voor:
ADP + Pi
ATP
(fosforylatie)
Lichtreactie t.h.v. thylakoïde membraan
 Fotosysteem I wordt aangeslagen
elektronen via elektronentransportketen doorgeven
NADP-reductase maakt NADPH,H+ aan
NADP+ + 2 e- + 2H+
 Route elektronen:
NADPH + H+
H2O
fotosysteem II
fotosysteem I
NADP-reductase en dus NADPH + H+
Z-schema van de fotosynthese
Reductie van NADP+ tot NADPH,H+
5.2 Donkerreactie van de fotosynthese
 Donkerreactie gebeurt in het stroma.
 CO2, ATP en NADPH,H+ worden ingebouwd in de
Calvincyclus.
vorming van glucose C6H12O6
Calvincyclus
5.3 Overzicht van licht- en donkerreactie
Verband tussen licht en donkerreactie
6
Fotosynthese in
het blad
6.1 Bladstructuur
6.2 Aanpassingen aan de fotosynthese
Niet kennen
7
Factoren die de
fotosynthese beïnvloeden
7.1 Lichtintensiteit
7.2 Temperatuur
7.3 CO2-gehalte
Niet kennen
8
Chemosynthese
Sommige bacteriën (chemo-autotrofen) bouwen
C-verbindingen op met behulp van chemische energie
afkomstig van de oxidatie van anorganische stoffen zoals:
•
•
•
•
•
NH4+
NO2CH4
H2 S
H2
(ammoniumionen)
(nitrietionen)
(methaan)
(waterstofsulfide)
(waterstofgas)