Samenvatting NLT: Brandstof voor het Leven

1
Samenvatting NLT: Brandstof voor het Leven!
Door: Fini De Gruyter
DEEL A: BRANDSTOF VOOR HET LEVEN:
Assimilatie:
Dissimilatie:
Aëroob:
Anaëroob:
Opbouw van organische stoffen.
Afbraak van organische stoffen.
Met zuurstof.
Zonder zuurstof.
licht
Fotosynthese: 6CO2 + 12H2O ---> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Fotosynthese is een koolstofassimilatie.
Cuticula:
Palissadenparenchym:
Sponsparenchym:
Bladnerven:
Huidmondjes:
Een waslaag die de plant beschermd.
Cellen die aan de bovenkant van het blad zitten (zonzijde). Het bevat veel
bladgroenkorrels (hier vind dus de fotosynthese plaats).
Heeft minder bladgroenkorrels. Cellen hebben dunnere celwanden met
veel ruimte tussen de cellen, voor transport van gassen, zoals CO2, O2 en
waterdamp.
Af en aanvoer van water en opgeloste stoffen.
(ev. stoma, mv. stomata) Zitten aan de onderkant van een blad. Maakt
gastransport van en naar het blad mogelijk. Ze worden omgeven door
sluitcellen die de huidmondjes kunnen openen en sluiten.
In elke plantencel zitten
organellen. In de
bladgroenkorrels
(chloroplasten) vind
fotosynthese plaats.
2
Chloroplast: Bladgroenkorrel, heeft vorm van een afgeronde schijf en wordt omgeven door 2
membranen.
Stroma:
Ruimte binnen de binnenste membraan van de chloroplast. Hier bevinden zich veel
eiwitten.
Thylakoïden: Liggen in het stroma. Platte schijven op elkaar gestapeld.
Granum:
(mv. grana) 1 stapel thylakoïden.
Lumen:
Ruimte binnenin de thylakoïdmembranen.
Op deze manier ontstaan verschillende compartimenten die essentieel zijn voor de fotosynthese (stroma,
thylakoïdmembraan, lumen)
De golflengte van licht bepaald de kleur. Zichtbaar licht zit tussen de violet 380 – 750 rood. Hoe korter
de golflengte hoe meer energie het licht heeft.
Fotonen:
Pigmenten:
Pigmenten
van planten:
Licht als stroomdeeltjes
Stoffen die licht absorberen.
Chlorofyl a, chlorofyl b en carotenoïden. Deze pigmenten zitten in het
thylakoïdmembraan.
Verschil chlorofyl a en chlorofyl b: bovenaan het lichtabsorberende gedeelte van het molecuul zit bij
chlorofyl a CH3 en bij chlorofyl b CHO.
3
Een foton kun je zien als een
pakketje energie. Een foton met
een kortere golflengte heeft een
groter pakketje energie. Die
energie wordt overgedragen naar
een pigmentmolecuul. Hier
veranderd een elektron uit het
molecuul van baan. De elektronen
bewegen in een baan rond de
atoomkern. In de normale baan
heet dit de grondtoestand. Door
het pakketje energie kan de
elektron naar een hogere baan gaan
die verder van de kern afzit. Dit heet de aangeslagen toestand. Dit is mogelijk als de foton wordt
geabsorbeerd dat precies het juiste energiepakketje heeft. Voor elk pigment is de benodigde energie
anders, dus elk pigment absorbeert een andere golflengte.
De elektron die in de aangeslagen toestand zit is niet stabiel, dus normaal geproken zou hij weer
terugvallen naar de grondtoestand. De energie komt dan weer vrij, maar in de vorm van warmte of
licht, en daar kan de plant niets mee.
In chloroplasten gaat het daarom anders. De
pigmenten die de energie opneemt zit in
ingewikkelde complexen ofwel de
fotosystemen. De fotosystemen bevinden
zich net als de pigmenten in de
thylakoïdmembranen. Een fotosysteem
bestaat uit een paarhonderd
chlorofylmoleculen die gebonden zijn aan
eiwitten. Chlorofylmoleculen met eiwitten
die rond het reactiecentrum zitten wordt het
antennecomplex genoemd. Lichtenergie
wordt van het ene molecuul naar het andere
gebracht totdat de energie aan het
reactiecentrum kan worden doorgegeven. In
dat reactiecentrum bevinden zich 2 speciale
chlorofyl a moleculen. Pas als deze in de
aangeslagen toestand komen, begint de
fotosynthese. De elektronen worden
losgemaakt van chlorofylmoleculen. Deze
elektronen worden overgedragen op een elektronenacceptor.
Dit invangen van fotonen door het antennecomplex gebeurt op 2 plaatsen: Fotosysteem I en
fotosysteem II. Fotosysteem II begint als eerste en daarop volgend komt fotosysteem I. het fotosysteem
II complex wordt ook wel P680 genoemd, naar de golflengte die het best geabsorbeerd wordt. Het
fotosysteem I complex wordt ook wel P700 genoemd.
4
Fotosysteem II:
Elke keer worden
elektronen doorgegeven via
elektronenacceptoren naar
het reactiecentrum. Dit is
zodat de energie niet in 1
keer vrijkomt, maar in
kleine stapjes. De 2
chlorofyl moleculen
worden aangeslagen. De
elektronen worden in het
reactiecentrum losgemaakt
van deze
chlorofylmoleculen (P680)
Deze elektronen worden
overgedragen op een
elektronenacceptor.
Hierdoor komt er een tekort aan elektronen. Bij fotosysteem II wordt dit gat opgevuld door water te
splitsen. Hierbij komen O2, H+
en elektronen vrij. (H2O  2H+ + 2e- + ½ O2). De zuurstof vormt meteen O2 en verlaat de plant via de
huidmondjes. De H+-jes worden gebruikt in de ATP Synthase. De twee aangeslagen elektronen vullen
vervolgens het gat op in fotosysteem I.
ATP Synthase:
De H+-jes (protonen) komen binnen het tylakoïdmembraan terecht. De concentratie H+-jes loopt daar
hoog op. Het transport van de H+-jes gaat van een lage naar een hogere concentratie, wat niet spontaan
zal gebeuren. Het is hier wel mogelijk, doordat het gekoppeld is aan de elektronentransportketen. Hier
kwam de energie van de aangeslagen elektronen langzaam vrij. Die energie kan gebruikt worden om de
H+-jes binnen het thylakoïdmembraan te brengen. De ophoping van H+-jes binnen de
thylakoïdmembranen kan je dan beschouwen als een stuwmeer aan H+-jes. Dit is een protonengradiënt.
Ze kunnen dan naar de andere kant van het tylakoïdmembraan door een kanaaltje. (ATP-synthase
5
complex) Dit levert energie (ATP) omdat de H+-jes die door de poort gaan de poort laat draaien. (Denk
aan een poortje bij attracties waar de stang steeds een slag verder draait.)
Fotosysteem I:
Dit systeem is vergelijkbaar met fotosysteem II. Ook hier heb je antennecomplexen die licht opnemen en
ook daar worden in het reactiecentrum elektronen losgemaakt van chlorofylmoleculen (ditmaal P700).
Deze elektronen worden overgedragen op een elektronenacceptor. Hier ontstaat ook een gat van
elektronen en die wordt opgevuld door de elektronen die via de elektronentransportketen geleverd
worden door fotosysteem II.
De elektronen komen uiteindelijk bij NADP-reductase. Samen met H+ vormt dit NADPH (of NADPH2
of NADPH/H+). NADPH wordt gebruikt in de 2de fase van fotosynthese samen met de ATP van de
ATP Synthase. In de donkerreactie ofwel Calvincyclus. De productie van fotosynthese is dus niet
glucose, maar ATP en NADPH. Deze stoffen kan de plant gebruiken om suikers van te maken, te
groeien en andere stofwisselingsprocessen.
ATP:
ATP staat voor Adenosine Tri Fosfaat (Phosphate). Het bestaat uit drie groepen: Een adenine groep,
een ribose groep en 3 fosfaatgroepen.
ATP wordt gevormd uit ADP (difosfaat, dus maar 2 fosfaatgroepen) + een losse fosfaatgroep. Er is
energie nodig om deze groepen aan elkaar te verbinden, omdat de fosfaatgroep en ADP allebei negatief
geladen zijn. Die energie komt bij de planten uit de chloroplasten en in de mitochondriën (waar de
verbranding plaatsvindt.) Deze energie komt weer vrij als ATP weer afgebroken wordt tot ADP +
fosfaatgroep.
ADP + fosfaat + energie  ATP + H2O
ATP + H2O  ADP + fosfaat + energie
Donkerreactie/Calvincyclus:
Om ATP en NADPH te maken is licht nodig. Dit is dan ook de lichtreactie. bij de Calvincyclus is geen
licht meer nodig en wordt daarom de donkerreactie genoemd. Er is nog wel licht nodig om dit te laten
plaatsvinden, want als er geen ATP en NADPH gevormd worden, kan de Calvincyclus niet doorgaan en
stopt deze.
6
De Calvincyclus maakt glucose.
1.
Er wordt elke keer één molecuul CO2 toegevoegd aan een verbinding met 5 C-atomen. (ribulose1,5-difosfaat)
2.
Dit levert een C6-verbinding op. (Bestaat maar kort)
3.
Deze C6-verbinding splitst meteen in 2 moleculen met 3 C-atomen. (glycerinezuur-3-fosfaat)
4.
Deze 2 moleculen krijgen ieder een fosfaatgroep van ATP. (glycerinezuur-1,3-difosfaat)
5.
Door NADPH wordt deze stof gereduceerd (glyceraldehyde-3-fosfaat).
6.
Van deze stof kan in de chloroplast zetmeel worden gemaakt, of deze stof gaat naar het
cytoplasma (dus uit de chloroplast) en wordt omgezet in andere koolhydraten, zoals glucose en
sucrose.
7.
Het andere molecuul blijft in de cyclus om weer opnieuw C5-verbinding te worden. Zo begint de
cyclus opnieuw.
DEEL B BIOBRANDSTOFFEN:
Fossiele brandstoffen: Koolstofverbindingen die zijn ontstaan uit resten van dode organismen.
Ruwweg energie van 300 miljoen jaar geleden. De energie zit opgeslagen in de organische stoffen van
fotosynthese.
De organische resten zijn al lange tijd uit de koolstofkringloop verdwenen. Door gewicht van nieuwe
aardlagen, waarbij onder hoge temperaturen omzetting in steenkool, aardolie of aardgas plaatvond.
Nu worden deze lagen uit de grond gehaald.
Verbrandingsreactie: een reactie met zuurstof (oxidatie). Hierbij komt energie vrij. De beste
brandstoffen zijn stoffen die het sterkst met zuurstof kunnen reageren.
7
Biobrandstof: Om meer brandstof te krijgen, moet je organische stoffen oogsten om er brandstof van te
maken. Dit compenseert de broeikaseffect omdat de CO2 die opgenomen wordt door de plant weer
verbruikt word. Bij biobrandstoffen zijn wel veel vraagstukken over de haalbaarheid en of het werkelijk
goed is.
Hoe worden biobrandstoffen gemaakt?
Bio-ethanol: is de vervanger voor benzine. Het is gewone alcohol en wordt gemaakt door koolhydraten
te laten vergisten. als grondstof wordt bijvoorbeeld maïs gebruikt. Het zetmeel in de maïs is niet
voldoende om een motor te starten, maar de ethanol wel.
Biodiesel: voor productie van bio-diesel is olie of vet nodig. Vetten zijn ook triglyceriden. (glycerol
met daaraan 3 vetzuurketens). Een Vetzuur is een zuurgroep met een lange koolstofketen.
triglyceride
methanol
glycerol methylesters:biodiesel
Triglyceriden zijn veel stroperiger dan diesel en om het dus te laten werken wordt de olie nog chemisch
bewerkt. “omgeësterd”. Dit gebeurt met een alcohol, bijvoorbeeld methanol. Hierbij worden de 3
esterverbindingen tussen vetzuren en glycerol verbroken, en wordt elk vetzuur met één methanol
veresterd, zodat losse ketens ontstaan. om de reactie te versnellen wordt een katalysator toegevoegd,
zoals natronloog (NaOH) en alkoxiden (Na(CH3O). Het omesteren wordt bij een temperatuur van 60
graden en atmosferische druk gedaan. Vervolgens wordt biodiesel gezuiverd van glycerol en overmaat
methanol door herhaald wassen met water.
Planten slaan de energie die ze maken niet alleen op in suiker en zetmeel, maar ook in oliën en vetten.
Vetten behoren tot de lipiden. Deze lost slecht op in water, maar goed in organische oplosmiddelen.
Vetten leveren meer energie dan de suikers en zetmeel. De meeste vetten komen voor zoals het 2de
plaatje hierboven.
Vetzuursynthese
De vetzuursynthese bestaat uit een cyclisch condensatieproces. Dit is een chemische reactie waarin een
vetzuurketen steeds met twee C-atomen wordt verlengd. Acetyl CoA is de precursor. In planten
gebeurt dit in de chloroplasten en bij dieren in het cytoplasma. (Zie blz. 34 in gele boekje.)
8
Bij het ontwikkelen komt de term duurzaamheid steeds weer naar voren. Op wereldschaal is de
behoefte aan brandstof groot. Je zou 125 keer Nederland nodig moeten hebben aan landbouwgrond om
aan deze behoefte te voldoen.
Grote nadelen die hierbij komen:
- Er ontstaat een monocultuur.
- Er ontstaat mineralendeficiëntie. Een voorbeeld: In het regenwoud is de grond arm aan
voedingsstoffen zoals N, P, K, Ca enz. Hier komt toch maar zelden een mineraaltekort voor, omdat de
mineralen gerecycled worden. als je steeds op landbouwgrond nieuwe planten moet planten, komt er een
mineraal tekort (mineralendeficiëntie)
- Mineralendeficiëntie kan leiden tot opbrengstvermindering.
- Door monocultuur worden planten vatbaarder voor ziekten en plagen.
- Energie investeren in opbrengst: bewerken landbouwgronden, verwerken van de oogst, vervoeren enz.
- Slechte bodemstructuur
Een tekort aan olie kan leiden tot een landbouwcrisis. De productie van biobrandstoffen komt in
conflict met de voedselproductie. De prijzen van voedsel kan bijvoorbeeld flink stijgen door extra vraag
naar dit voedsel.
De gevolgen van de grootschalige productie van biobrandstoffen voor het broeikaseffect:
Dragen biobrandstoffen wel bij aan het terugdringen van het broeikaseffect? Het in cultuur brengen van
extra landbouwgronden kan een groot effect hebben op de bestaande ecosystemen.. Als gevolg van in
cultuur brengen van landbouwgronden komt eerst een enorme hoeveelheid extra CO2 vrij. De
koolstofvoorraad die in honderden jaren is opgebouwd komt door het bewerken van nieuwe akkers vrij
als CO2. Hoelang het duurt voordat deze extra CO2-uitstoot gecompenseerd is hangt af van het
energiegewas en het “opgeofferde” natuurlijk ecosysteem. Dit varieert van 17 jaar voor suikerriet die
wordt geteeld in een opgeofferde Braziliaanse savanne tot 400 jaar voor oliepalmen geteeld in een
opgeofferde tropische veengebieden in Maleisië.
Aantekeningen Coebergh:
Food print: ecologische voetafdruk
Koolstofkringlopen:
Littosfeer: Fossiele brandstoffen en sedimenten
Biosfeer:
Hydrosfeer: Oceanen
Atmosfeer:
Totaal:
99,8 %
0,001%
0,05%
0,001%
99,852%
Plastoquinon: (tussen fotosynthese II en I): Zie plaatje bij ATP Synthase.
Neemt elektron op en wordt daardoor negatief geladen. Dit wordt opgeheven door een H+ buiten het
membraan. Als plastoquinon het elektron weer afstaat, staat hij ook de H+ af, maar dan binnen het
membraan.
Planten:
instantaan
 voeding - koolhydraten
- vetten/oliën
- eiwitten
80jaar

biobrandstoffen
300.000 jaar

fossiele brandstoffen
 C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O
O2
 2C6H14 + 19O2  12CO2 + 14 H2O
C7H16 + 11O2  7CO2 + 8H2O
O2
 aardgas: CH4 + 2O2  CO2 + 2 H2O
diesel: 2C14H30 + 43O2  28CO2 + 30H2O
9
Algemene reactie verbranding koolstof:
C0 + O20  [C4+O22-]0
▼ ▲
red oxi
4e- 4eBij glycolyse wordt glucose afgebroken: Zie vetzuursynthese
O
||
C6H12O6
 C3H4O3
 CH3 – C – R
Glucose
pyrodruivenzuur
acetylgroep
CoA  CH3 – C – CoA + R  CH3 – CH2 – C – ACP
||
||
O
O
Zetmeel  lineair
Cellulose  vertakt
Spijsvertering  stoffen afbreken
Stofwisseling  stoffen opbouwen tot bruikbaar
glycolyse
Fotosynthese  glucose (C6H12O6) 
pyrodruivenzuur (C3H4O3)
Condensatie polymeer

koolhydraten
Vetzuursynthese:
Voor biodiesel:
Rekenvoorbeeld:
Auto rijdt 1:10, je rijdt 100 km op benzine. Benzine: 2,4 kg Co2/L, 6000 kg CO2 per ha
1000 : 10 = 100 L
100 L benzine x 2,4 kg CO2/L = 240 kg CO2
240 kg CO2 : 6000 kg = 0,04 ha = 400 m2 bos.
Voor andere rekenvoorbeelden zie opdrachten in boek. Deel C is niet in deze samenvatting
opgenomen.