Chemo- en fotosynthese

Presentatie over: "Chemo- en fotosynthese"— Transcript van de presentatie:

1 Chemo- en fotosynthese
V. Rasquin de Vlaams Congres van Leraars Wetenschappen

2 Zeer veel levensprocessen zijn endergonisch: ze vereisen energie
ATP (adenosinetrifosfaat) is de universele energieleverancier

3 Hydrolyse van 1 mol ATP bij N.O.
levert 30,6 kJ: ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ ∆G° = - 30,6 kJ/mol

4 ATP wordt niet gestockeerd in de cel en wordt naargelang de behoeften gesynthetiseerd.
De energie die nodig is voor de synthese wordt gehaald uit de oxidatie van energierijke C-verbindingen, zoals glucose.

5 Organismen, die deze energierijke verbindingen kunnen synthetiseren vertrekkend van eenvoudige anorganische verbindingen, zoals CO2 (koolstofbron) en H2O of H2S (waterstofbron), zijn AUTOTROOF. Organismen die dit niet kunnen, zijn HETEROTROOF.

6 FOTOAUTOTROFEN halen de nodige energie voor de synthese van hun energierijke C-verbindingen uit LICHT. Zij doen aan FOTOSYNTHESE. CHEMOAUTOTROFEN halen de nodige energie uit de oxidatie van anorganische verbindingen zoals NH3, H2S of Fe2+. Zij doen aan CHEMOSYNTHESE. Het zijn allemaal prokaryoten.

7

8 Anatomie van een blad

9 De chloroplasten als fotosynthesecentra

10 De thylakoïdmembranen
granum lamel zetmeel

11 Electromagnetisch spectrum en zichtbaar licht
Gamma stralen Infrarood & Microgolven X-stralen UV Radiogolven zichtbaar licht Golflengte (nm)

12 Pigmenten in de thylakoïden absorberen
een deel van het licht weerkaatst licht LICHT geabsorbeerd licht doorgelaten licht

13 Fe Mg Heemgroep symmetrisch p systeem; absorbeert blauw licht
N Fe Heemgroep symmetrisch p systeem; absorbeert blauw licht Chlorophyllen asymmetrisch p systeem; absorberen blauw en rood licht Mg O

14 Absorptiespectra van fotosynthetische pigmenten
Bladeren zijn groen

15 Overzicht van de fotosynthese
CO2 Cx(H2O)y sacharide lichtenergie + chloroplast H2O O2

16 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 48 hn C6H12O6 + 6 O2
De synthese van sachariden, vertrekkend van CO2 en water, stelt een enorm thermodynamisch probleem: 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 DGo = kJ/mol Keq = Fotosynthetiserende organismen kunnen lichtenergie efficiënt gebruiken om deze reactie te realiseren. De energie van rood licht (700 nm) is E = Nhn = 172 kJ/einstein* 6 CO2 + 6 H2O + 48 hn C6H12O6 + 6 O2 DGo = kJ/mol Keq = ! *Eén einstein is één mol fotonen. N = getal van Avogadro (6x1023); h = constante van Planck (6.63x10-34 J/s);  = frequentie (s-1).

17 lichtreacties Calvincyclus

18 DE LICHTREACTIES

19 Globaal Omzetting van lichtenergie in chemische energie (ATP)
Fotolyse van water, waarna energierijke elektronen worden overgedragen op NADP+, dat gereduceerd wordt tot NADPH

20 In de thylakoïdmembraan zijn de fotosynthetische pigmenten gegroepeerd in fotosystemen.
Hiervan zijn er twee types: PSI en PSII; zij verschillen in samenstelling en zijn maximaal actief bij een verschillende golflengte van het geabsorbeerde licht.

21 PSII

22 PSII supercomplex

23 Lichtenergie wordt opgevangen door pigmenten in LHCII en razendsnel doorgestuurd via andere pigmentmoleculen naar de 2 reactieve chlorofyl a moleculen in het recatiecentrum ( de P680 moleculen)

24 Het LHC-II eiwit is een trimeer met 14 chlorofyllen en 3 carotenoïden per subeenheid
Chl-b Chl-a carotenoïde Z. Liu et al. Nature 428: 287 (2004)

25 Elektronentransport in PSII
stroma lumen OEC

26 OEC

27 Reductie van plastochinon
hydrofobe keten

28 Cyt b6f

29 Plastocyanine e- Cu Cu+

30 Plant-PSI is een monomeer
Lhca3 Lhca1 Lhca2 Lhca4 A. Amunts, O. Drory & N. Nelson, The structure of a plant Photosystem I supercomplex, Nature, 447, (2007).

31 Elektronentransport in PSI

32 Reductie van NADP+ NADP+ NADPH

33 a) 2 H H- + H+ b) NADP+ + H- NADPH
De reductie van NADP+ gebeurt door een hydride-ion (H-), afkomstig van 2 waterstofatomen, die vrijkomen bij de dehydrogenatie van de oxidator: a) 2 H H- + H+ b) NADP+ + H NADPH

34 ATP-synthase

35 Overzicht niet-cyclische fotofosforylering

36 Ligging van de componenten in de thylakoïdmembraan
ATP-synthase Gestapelde membranen PSII Cyt b6f PSI LHCII

37 Verhouding ATP/NADPH is gunstig niet-cyclische fotofosforylering

38 Extra ATP nodig cyclische fotofosforylering

39 DE CALVINCYCLUS

40 Tijdens deze reactiereeks, die doorgaat in de stroma van de chloroplast, wordt CO2 gereduceerd tot een sacharide. De energie die hiervoor nodig is wordt geleverd door ATP en de waterstof (inclusief e-) door NADPH. ATP en NADPH zijn afkomstig van de lichtreacties.

41

42

43

44 Globale reactie voor de synthese van 1 mol glucose
Lichtreacties: 12 H2O + 12 NADP ADP + 18 Pi + lichtenergie O NADPH + 12 H ATP + 18 H2O Calvin: 6 CO ATP + 12 NADPH + 12 H H2O triosefosfaat + 18 ADP + 16 Pi + 12 NADP+ Cytosol: 2 triosefosfaat fructose 6-fosfaat + Pi fructose 6-fosfaat glucose 6-fosfaat Glucose 6-fosfaat + 2 H2O glucose + Pi GLOBAAL: 6 CO H2O + lichtenergie C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

45 C4-planten C3-plant C4-plant

46 C4-planten

47 CAM-planten NACHT DAG

48 EINDE