STOF-EN ENERGIE-OMZETTINGEN BIJ AUTOTROFE ORGANISMEN Thema 5 STOF-EN ENERGIE-OMZETTINGEN BIJ AUTOTROFE ORGANISMEN DEEL 2 Stof- en energieomzettingen in cellen

1 heterotrofe organismen 1.1 Autotrofe organismen Autotrofe versus heterotrofe organismen 1 1.1 Autotrofe organismen 1.2 Heterotrofe organismen

Planten zijn foto-autotroof 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 C-verbindingen opnemen. (Dieren, fungi, vele ééncelligen en bacteriën) Voedsel verteert tot voedingsstoffen Energieproductie gebeurt ook door celademhaling.

Zwammen zijn heterotroof

Vergelijking autotrofe en heterotrofe organismen

ATP-ADP-systeem 2 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 ATP is een energiedrager:

3 3.1 Voorwaarden voor fotosynthese 3.2 Globale reactievergelijking fotosynthese

Groene algen met spiraal-vormige chloroplasten 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 spiraal-vormige chloroplasten

Zuurstofminnende bacteriën bij het rode en blauwe gebied

Inval zonlicht = zetmeelsynthese Experiment: licht noodzakelijk voor fotosynthese Aantonen via zetmeel (lugol). Inval zonlicht = zetmeelsynthese

Aanwezigheid chlorofyl 3.1.2 Noodzaak van chlorofyl (bladgroen) Experiment: chlorofyl noodzakelijk voor fotosynthese Aantonen via zetmeel (lugol). Aanwezigheid chlorofyl = zetmeelvorming

Aanwezigheid chlorofyl Fotosynthese = bladgroenwerking Aanwezigheid chlorofyl = zetmeelvorming

3.1.3 Noodzaak van koolstofdioxide (CO2) Experiment: CO2 noodzakelijk voor fotosynthese Fotosynthese = koolstofdioxideassimilatie

Afwezigheid CO2 = geen zetmeelvorming

Schematische voorstelling van het fotosyntheseproces 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 door chlorofyl 4.1 Zonlicht als energievorm 4.2 De rol van chlorofyl Absorptie van licht door chlorofyl 4 4.1 Zonlicht als energievorm 4.2 De rol van chlorofyl

Absorptie van licht door een blad 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

Absorptiespectrum van verschillende pigmenten 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 fotosyntheseproces 5.1 Lichtreacties van de fotosynthese Verloop van het fotosyntheseproces 5 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 resonantie-energieoverdracht 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 H2O 2 H+ + 2 e- + ½ O2 of 2 H2O 4 H+ + 4 e- + O2 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+ NADPH + H+ Route elektronen: 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

Verband tussen licht en donkerreactie 5.3 Overzicht van licht- en donkerreactie Verband tussen licht en donkerreactie

6 het blad 6.1 Bladstructuur 6.2 Aanpassingen aan de fotosynthese Fotosynthese in het blad 6 6.1 Bladstructuur 6.2 Aanpassingen aan de fotosynthese Niet kennen

7 fotosynthese beïnvloeden 7.1 Lichtintensiteit 7.2 Temperatuur Factoren die de fotosynthese beïnvloeden 7 7.1 Lichtintensiteit 7.2 Temperatuur 7.3 CO2-gehalte Niet kennen

Chemosynthese 8 Sommige bacteriën (chemo-autotrofen) bouwen C-verbindingen op met behulp van chemische energie afkomstig van de oxidatie van anorganische stoffen zoals: NH4+ (ammoniumionen) NO2- (nitrietionen) CH4 (methaan) H2 S (waterstofsulfide) H2 (waterstofgas)