Fotosynteza PDF

Preview

Summary

Download Fotosynteza PDF

Description

FIZJOLOGIA ROŚLIN ZAGADNIENIA FOTOSYNTEZA 1. Definicja fotosyntezy, znaczenie, ogólny schemat przebiegu procesu fotosyntezy Definicja fotosyntezy: Jest to synteza związków organicznych z dwutlenku węgla oraz wody przy udziale energii świetlnej. Ogólny wzór 6CO2 + 6H2O + energia świetlna

→ C6H12O6 + 6O2 . Składa się z fazy świetlnej oraz ciemnej. Faza świetlna polega na przemianie energii świetlnej w energię chemiczną magazynowanej w formie wiązań

ATP i NADPH. Faza ciemna polega na redukcji CO2 i wbudowania go w związki

organiczne kosztem energii (ATP i NADPH) wytworzonej w fazie świetlnej fotosyntezy. Znaczenie fotosyntezy: - przetwarza energię świetlną w chemiczną (w postaci cukrów, białek, tłuszczów i innych związków organicznych) która jest podstawowym źródłem energii dla wszystkich istot żywych; - odnawia zasoby tlenu i usuwa nadmiar dwutlenku węgla. Ogólny schemat przebiegu fotosyntezy:

2. Budowa i znaczenie chlorofilu Budowa chlorofilu: Cząsteczka chlorofilu jest zbudowana z 5-pierścieniowej pochodnej porfiryny (feoporfiryny) oraz reszty 20-węglowego alkoholu (fitolu) dołączonej wiązaniem estrowym do reszty kwasu propionowego będącej jednym z podstawników IV pierścienia pirolowego feoporfiryny. W pierścieniu porfirynowym występują kolejno po sobie wiązania podwójne na zmianę z pojedynczymi → układ wiązań sprzężonych. Centralnie w pierścieniu porfirynowym znajduje się atom magnezu połączony z atomami azotu pierścieni pirolowych. Układ porfirynowy – część hydrofilowa; fitol – część lipofilowa. Różnica między chlorofilem a i b jest następująca: gdy przy II pierścieniu występuje grupa metylowa (CH3) jest to chlorofil a; jeśli grupaaldehydowa (CHO) jest to chlorofil b.

Znaczenie chlorofilu: Chlorofile są głównymi barwnikami fotosyntetycznymi, transformują energię świetlną, absorbują światło widzialne w zakresie pasm niebieskich i czerwonych. Nadają roślinie zieloną barwę. 3. Budowa znaczenie karotenoidów

Karotenoidy: są pochodnymi izopropenu i dzielą się na karoteny (karoten i likopen) oraz ksantofile(zeaksantyna, wiola ksantyna i luteina). Budowa: dwa pierścienie jonowe połączone długimi łańcuchami węglowodorowymi w których występują na przemian wiązania pojedyncze i podwójne i tworzą układ wiązań sprzężonych-umożliwiając absorpcje światła, są wbudowane w błony tylakoidowe.

Znaczenie : absorbują światło o barwie niebieskofioletowej ( w nieco innym zakresie niż chlorofil) i energię wzbudzenia przekazują do centrum aktywnego. -chronią chlorofil i błony tylakoidów przed fotooksydacją -biorą udział w fototropizmie – ruchach roślin

4. Schemat „Z” transportu elektronów

Ph – feofityna QA – plastochinon –akceptor jednoelektrodowy QB – miejsce przyłączenia PQ –akceptora dwuelektrodowego PQ –plastochinon PQH2 –plastochinol Cyt b6/f – kompleks cytochromowy PC –plastocyjanina 5. Przedstaw na schemacie jak przebiega fosforylacja cykliczna i niecykliczna • Niecykliczny transport elektronów: - zachodzi w membranach tylakoidów - przy udziale fotosystemów PS II i PSI - powstają O2, ATP i NADPH • Cykliczny transport elektronów: - zachodzi w membranach tylakoidów - przy udziale tylko fotosystemu PS I - dochodzi do wytworzenia H+ -powstaje Tylko ATP - zachodzi gdy jest nadmiar NADPH, lub przy niedoborze NADP +

6. Wyjaśnij przebieg reakcji rozszczepienia wody w procesie fotosyntezy Zachodzi ono przy udziale kompleksu manganowego - po wewnętrznej stronie błony tylakoidu - kompleks zawiera 4 atomy Mn związane z białkiem - atomy Mn przechodząc na wyższy stopień utlenienia przekazują elektrony do centrum fotochemicznego P- 680+ - w transporcie elektronów na P-680+ pośredniczy tyrozyna całkowity rozkład 2 cząsteczek wody ma miejsce podczas 4 stanów utlenienia kompleksu manganowego 7. Przedstaw schemat funkcjonowania centrum fotochemicznego P- 680 PS II (fotosystem II) – centrum aktywne P-680 (P-680) : - jest częścią składową aparatu przemiany energii - jeden z gł. kompleksów fazy świetlnej - zlokalizowany głównie w tylakoidach gran - u roślin składa się z czterech transbłonowych podjednostek duŜych i kilkunastu małych oraz trzech podjednostek zewnątrz błonowych - absorbuje światło o maksymalnej długości fali 680 nm zadania: - a) wytworzenie silnego utleniacza ( chlorofil P-680+) zdolnego do oderwania e− z H2O - b) fotoliza wody - c) przeniesienie e− na plastochinon Schemat funkcjonowania centrum fotochemicznego P- 680 (PS II): 1) Wzbudzenie centrum aktywnego P-680 pod wpływem fotonu ( P-680→P- 680*) 2) Stan wzbudzony P-680* 3) Utlenienie P-680* przez oddanie e− na akceptor( Phe – feofityna) 4) Forma kationowa P-680+ 5) Redukcja P-680+ za pomocą e− do formy podstawowej P- 680( woda jest donorem e−) 6) Forma podstawowa P-680( cykl się powtarza) 7) Centrum fotochemiczne stanowi „pompę elektronową”, która pompuje elektrony z wody na akceptor przy użyciu energii świetlnej. Energia pozyskana w fotosystemie II wykorzystywana jest do syntezy ATP.

8. Cykl Q – przebieg i znaczenie Cykl Q: - seria reakcji biochemicznych -działanie cyklu Q polega na zredukowaniu plastocyjaniny z jednoczesnym utlenieniem plastochinonu Mechanizm działania cyklu Q: 1) PQH2 ( nośnik elektronów pochodzących z PSII) przemieszcza się na zasadzie dyfuzji do kompleksu cytochromowego b6 f i przyłącza do miejsca Qu ( miejsce utleniania plastochinolu). 2) w miejscu Qu: * jeden z elektronów PQH2 przekazany jest do centrum Fe S i dalej na cytochrom f ( jedna ze składowych kompleksu cytochromowego b6 f). * drugi elektron uczestniczy w cyklu Q, czyli jest przekazywany na cytochrom b niskopotencjałowy (b6n) , a dalej na cytochrom b wysokopotencjałowy (b6w), a następnie do miejsca redukcji plastochinonu Qr, w którym PQ ulega redukcji. 3) PQ w miejscu Qr po przyjęciu dwóch elektronów przyłącza dwa H+ ze stromy i przechodzi jako plastochinol (PQH2) do miejsca Qu, gdzie protony H+ są uwalniane do wnętrza tylakoidy podczas ponownego oddawania elektronów. W efekcie utlenienia dwóch cząsteczek plastochinolu dwa elektrony przekazywane są na plastocyjaninę, cztery protony uwalniane do wnętrza tylakoidu, dwa protony zostają pobrane ze stromy oraz powstaje jedna cząsteczka plastochinolu mogąca brać udział w kolejnym Q cyklu. Aktywność cyklu Q zwiększa przenoszenie elektronów ze stromy do wnętrza tylakoidu. 9. Na czym polega faza ciemna fotosyntezy- cykl Calvina Faza ciemna polega na wykorzystaniu siły asymilacyjnej do syntezy cukrów prostych (wiązanie i redukcja CO2 do związków organicznych za pomocą energii ATP i NADPH wytworzonej w fazie świetlnej fotosyntezy); zachodzi w stromie chloroplastów. Wiązanie i redukcja CO2 w procesie fotosyntezy zachodzi w 3

etapach: - Karboksylacja - Redukcja - Regeneracja U roślin typu C3 akceptorem CO2 jest rybulozo-1,5-bisfosforan, natomiast u roślin tropikalnych (C4) są 2 akceptory:

-pierwotny- kwas pirogronowy -wtórny- rybulozo-1,5-bisfosforan 10. Jak przebiega wiązanie CO2 u roślin typu C4 Rośliny typu C4: − klimatu gorącego (np. kukurydza, trzcina cukrowa) − przeprowadzają dodatkowy mechanizm wiązania CO2, który poprzedza cykl Calvina (= umożliwia przebieg fotosyntezy w wysokiej temp, przy niedostatku H2O i CO2) − PEP (fosfoenolopirogronian) – pierwotny akceptor CO2 − wiązanie CO2 odbywa się większym kosztem energii: 1 cząst. CO2 wymaga 2 cz. NADPH i 5 cz. ATP − specyficzna budowa liścia ( kom miękiszu mają małe chloroplasty, odpowiedzialne za wiązanie CO2 przez PEP ; kom pochwy okołowiązkowej mają duŜe chloroplasty i odpowiedzialne za cykl Calvina ; oba typy kom połączone siecią plazmodesmów) − PEPC (karboksylaza fosfoenolopirogronianowa) występuje w cytozolu kom miękiszu; katalizuje przyłączenie CO2 do PEP 1. Szczawiooctan – 4węglowy związek; pierwszy produkt przyłączenie CO2 ( nazwa C4) (CO2 przyłącza się do PEP; miękisz liścia) 2. Szczawiooctan przekształca się w Jabłczan (miękisz liścia) 3. ten przenika do kom pochwy okołowiązkowej, gdzie ulega dekarboksylacji 4. w jej wyniku powstaje Pirogronian (3węgle) i CO2 5. CO2 jest wiązany w cyklu Calvina ; pirogronian wraca do kom mezofilu 6. następuje jego regeneracja do PEP i ponownie stanowi stanowi pierwotny akceptor CO2 11. Jak przebiega wiązanie CO2 u roślin typu CAM Jak przebiega wiązanie CO2 u roślin typu CAM? − są to rośliny tropikalne − Aparaty szparkowe zamknięte w dzień, otwarte w nocy − CAM typ fotosyntezy przystosowujący rośliny do warunków w strefie tropikalnej − nocą rośliny ulegają zakwaszeniu stąd nazwa CAM − w roślinach tego typu oba procesy C3 i C4 przebiegają w tych samych komórkach lecz są rozdzielone w czasie (noc i dzień) Znaczenie cyklu C4: • PEP ma większe powinowactwo do CO2 • cykl ten prowadzi do zagęszczenia CO2 – co umożliwia funkcjonowanie cyklowi Calvina • ogranicza fotooddychanie

12. Przedstaw na schemacie i porównaj metabolizm węgla u roślin typu C3,C4,i CAM

13. Przedstaw na schemacie proces fotooddychania. Znaczenie fotooddychania. PROCES FOTOODDYCHANIA - schemat Znaczenie fotooddychania: 1. Może stanowić OCHRONĘ AP. FOTOSYNTETYCZNEGO (szczególnie w warunkach, kiedy reakcje świetlne zachodzą z dużą intensywnością, a szybkość fazy ciemnej maleje na skutek obniżonego stężenia dwutlenku węgla 2. Powoduje ograniczenie produktywności roślin 3. Intensywnie przebiega u roślin C3

14. Czynniki fotosyntezy – (np. wpływ temp. i wody lub CO2 i światła)

• w zależności od warunków zew. Rośliny wiążą CO2 wg cyklu C3, C4, CAM • wpływają one również na wytwarzanie wtórnych produktów fotosyntezy Wpływ wody: • nie ma bezpośredniego wpływu • wpływ pośredni: deficyt H2O – zamykanie ap. szparkowych ( odcięcie dopływu CO2 do liścia), zahamowanie wzrostu rośliny, w tym blaszek liściowych co obniża ilość odbieranego światła i pobieranego CO2 Wpływ CO2: • optymalne stężenie CO2 dla fotosyntezy = 0,15-0,18 % • w atmosferze wynosi 0,036% - w warunkach normalnych, ogranicza fotosyntezę • stężenie powyżej 1% jest dla roślin trujące • niskie stężenie jest lepiej wykorzystywane przez rośliny typu C4 • wpływ stężenia CO2 na pr. Fotosyntezy zależy od natężenia światła i temp Wpływ światła: • PhAR -promieniowanie fotosyntetyczne czynne 400-700 nm (jest to zakres światła wykorzystywanego przez roślinę do fotosyntezy) • u roślin C3 – 0,5-3,5% ; C4 do 7% (światło pochłonięte i zużyte do fotosyntezy) • Świetlny punkt kompensacyjny – natężenie światła w którym dochodzi do zrównoważenia fotosyntezy i oddychania, oraz ustaje wymiana gazowa • rośliny cieniolubne = 1 W*m-2 ; światłolubne 4 W*m-2 • Intensywność fotosyntezy wzrasta aŜ do świetlnego punktu wysycenia ( ilość światła powyżej punktu kompensacyjnego, następuje stopniowy, liniowy wzrost pobierania CO2) • Świetlny punkt wysycenia – najmniejsze natężenie światła, powyżej którego dalsze jego zwiększanie nie powoduje wzrostu fotosyntezy • Rośliny cieniolubne = ok 15 W*m-2 ; światłolubne = 150 W*m-2 • w świetlne o małym natężeniu, poniżej punktu kompensacyj, rośliny tracą więcej CO2 (oddychanie, fotooddychanie) niŜ są w stanie przyswoić, dłuższe przebywanie w takich warunkach moŜe być dla nich szkodliwe • w roślinach naraŜonych na działanie światła o dużym natężeniu zachodzi fotoinhibicja i następuje zmniejszenie fotosyntezy oraz destrukcja aparatu fotosyntetycznego, ponieważ: powstają reaktywne formy O2 , powstają rodniki plastochinonowe oraz następuje uszkodzenie centrum manganowego Mechanizmy chroniące rośliny przed nadmiernym promieniowaniem świetlnym ( cykl ksanotofilowy, fotooddychanie ) mogą zawodzić w przypadku wystąpienia innych sytuacji stresowych np. obniŜenie

temp, niskie stężenie CO2, stres wodny. 15. Wpływ czynników na wytwarzanie wtórnych substratów fotosyntezy Duże natężenie światła i duże stężenie CO2 : przemiana fosforany heksoz Sacharoza, węglowodany - Duże stężenie światła i duże stężenie O2, małe stężenie CO2: RuBP Glikolan, glicyna, fotooddychanie -Małe natężenie światła: PGA Kw. glutaminowy, kw. asparaginowy -Czynniki stresowe: Fosfotriozy Glicerol, kw. tłuszczowe...