Informatie

8.2: De lichtafhankelijke reacties van fotosynthese - biologie


8.2: De lichtafhankelijke reacties van fotosynthese

Begrijpen hoe de binnenkant van een chloroplast eruit ziet, is essentieel om te visualiseren waar de verschillende reacties van fotosynthese plaatsvinden.

Rondom de chloroplast bevindt zich een dubbel membraan, bestaande uit een buitenmembraan en een binnenmembraan. Dit is qua structuur vergelijkbaar met het dubbele membraan van mitochondriën.

Binnen in het binnenmembraan van de chloroplast en rondom de thylakoïden bevindt zich een vloeistof die het stroma wordt genoemd. De lichtonafhankelijke reacties van fotosynthese vinden plaats in het stroma. Het bevat enzymen die werken met ATP en NADPH om koolstof uit koolstofdioxide te "fixeren" in moleculen die kunnen worden gebruikt om glucose op te bouwen. Het eigen genetische materiaal van de chloroplast (los van dat van de cel) wordt ook opgeslagen in het stroma.

Het binnenste van de chloroplast bevat een ander membraan - het thylakoïde membraan - dat is gevouwen om talloze verbonden stapels schijven te vormen. Elke schijf is een thylakoïde en elke stapel is een granum (pl. grana).

De lichtafhankelijke reacties van fotosynthese vinden plaats in de thylakoïden. Deze reacties treden op wanneer het pigment chlorofyl, dat zich in de thylakoïde membranen bevindt, energie van de zon (fotonen) opvangt om de afbraak van watermoleculen op gang te brengen.


Wat is lichtenergie?

Figuur 2. De golflengte van een enkele golf is de afstand tussen twee opeenvolgende punten langs de golf.

De zon zendt een enorme hoeveelheid elektromagnetische straling (zonne-energie) uit. Mensen kunnen slechts een fractie van deze energie zien, die 'zichtbaar licht' wordt genoemd. De manier waarop zonne-energie zich voortplant, kan worden beschreven en gemeten als golven. Wetenschappers kunnen de hoeveelheid energie van een golf bepalen door de golflengte te meten, de afstand tussen twee opeenvolgende, vergelijkbare punten in een reeks golven, zoals van top tot top of van dal tot dal (Figuur 2).

Zichtbaar licht is slechts een van de vele soorten elektromagnetische straling die door de zon wordt uitgezonden. Het elektromagnetische spectrum is het bereik van alle mogelijke golflengten van straling (Figuur 3). Elke golflengte komt overeen met een andere hoeveelheid energie die wordt gedragen.

Figuur 3. De zon straalt energie uit in de vorm van elektromagnetische straling. Deze straling bestaat in verschillende golflengten, die elk hun eigen karakteristieke energie hebben. Zichtbaar licht is een soort energie die door de zon wordt uitgestraald.

Elk type elektromagnetische straling heeft een karakteristiek golflengtebereik. Hoe langer de golflengte (of hoe meer uitgerekt het lijkt), hoe minder energie er wordt gedragen. Korte, strakke golven dragen de meeste energie. Dit lijkt misschien onlogisch, maar zie het in termen van een stuk bewegend touw. Het kost weinig moeite van een persoon om een ​​touw in lange, brede golven te bewegen. Om een ​​touw in korte, strakke golven te laten bewegen, zou een persoon aanzienlijk meer energie moeten gebruiken.

De zon zendt (Figuur 3) een breed scala aan elektromagnetische straling uit, waaronder röntgenstralen en ultraviolette (UV) stralen. De hogere energiegolven zijn gevaarlijk voor levende wezens, bijvoorbeeld röntgenstralen en UV-stralen kunnen schadelijk zijn voor mensen.


Absorptie van licht

Lichtenergie initieert het proces van fotosynthese wanneer pigmenten het licht absorberen. Organische pigmenten, zowel in het menselijk netvlies als in de chloroplast thylakoïde, hebben een smal bereik van energieniveaus die ze kunnen absorberen. Energieniveaus die lager zijn dan die weergegeven door rood licht, zijn onvoldoende om een ​​orbitaal elektron naar een bevolbare, geëxciteerde (kwantum) toestand te brengen. Energieniveaus die hoger zijn dan die in blauw licht, zullen de moleculen fysiek uit elkaar scheuren, wat bleken wordt genoemd. Retinapigmenten kunnen dus alleen licht van 700 nm tot 400 nm "zien" (absorberen), wat daarom zichtbaar licht wordt genoemd. Om dezelfde redenen absorberen plantenpigmentmoleculen alleen licht in het golflengtebereik van 700 nm tot 400 nm. Plantenfysiologen noemen dit bereik voor planten fotosynthetisch actieve straling.

Het zichtbare licht dat door mensen als wit licht wordt gezien, bestaat eigenlijk in een regenboog van kleuren. Bepaalde objecten, zoals een prisma of een druppel water, verspreiden wit licht om de kleuren voor het menselijk oog te onthullen. Het zichtbare lichtgedeelte van het elektromagnetische spectrum toont de regenboog van kleuren, met violet en blauw met kortere golflengten en dus hogere energie. Aan de andere kant van het spectrum, richting rood, zijn de golflengten langer en hebben ze een lagere energie (Figuur).

De kleuren van zichtbaar licht dragen niet dezelfde hoeveelheid energie. Violet heeft de kortste golflengte en draagt ​​daarom de meeste energie, terwijl rood de langste golflengte heeft en de minste hoeveelheid energie draagt. (credit: wijziging van het werk door NASA)


Pigmenten begrijpen

Er bestaan ​​verschillende soorten pigmenten, die elk slechts bepaalde golflengten (kleuren) van zichtbaar licht absorberen. Pigmenten reflecteren de kleur van de golflengten die ze niet kunnen absorberen.

Alle fotosynthetische organismen bevatten een pigment dat chlorofyl wordt genoemd een, die mensen zien als de gemeenschappelijke groene kleur die wordt geassocieerd met planten. chlorofyl een absorbeert golflengten van beide uiteinden van het zichtbare spectrum (blauw en rood), maar niet van groen. Omdat groen wordt gereflecteerd, lijkt chlorofyl groen.

Andere pigmentsoorten zijn chlorofyl B (die blauw en rood-oranje licht absorbeert) en de carotenoïden. Elk type pigment kan worden geïdentificeerd door het specifieke patroon van golflengten dat het absorbeert van zichtbaar licht, wat het absorptiespectrum is.

Veel fotosynthetische organismen hebben een mengsel van pigmenten tussen hen in, het organisme kan energie absorberen van een breder bereik van golflengten van zichtbaar licht. Niet alle fotosynthetische organismen hebben volledige toegang tot zonlicht. Sommige organismen groeien onder water waar de lichtintensiteit afneemt met de diepte en bepaalde golflengten worden geabsorbeerd door het water. Andere organismen groeien in concurrentie om licht. Planten op de regenwoudbodem moeten elk beetje licht dat doorkomt kunnen absorberen, omdat de hogere bomen het meeste zonlicht tegenhouden (Figuur 5.11).

Afbeelding 5.11 Planten die gewoonlijk in de schaduw groeien, hebben baat bij een verscheidenheid aan lichtabsorberende pigmenten. Elk pigment kan verschillende golflengten van licht absorberen, waardoor de plant elk licht kan absorberen dat door de hogere bomen gaat. (credit: Jason Hollinger)


FOTOSYNTHETISCHE GENERATOREN VAN PROTONMOTIVE KRACHT

(a) Fase 1: de trans-cis-isomerisatie van de chromofoor

Wanneer bR568 absorbeert een foton vormt het een voorbijgaande aangeslagen toestand K waarin de aangeslagen chromofoor een isomerisatie ondergaat van alle-trans tot 13-cis ( Afb. 6.13 en Tabel 6.1 ). Dit is de enige lichtafhankelijke reactie en de andere stadia van de cyclus zijn 'donkerreacties' die spontaan optreden, maar in sommige gevallen ten koste van de energie die is opgeslagen in de chromofoor, om de oorspronkelijke conformatie te herstellen.

Tabel 6.1 . Schematische fotochemische cyclus voor bacteriorodopsine

Structuur vanPKs van protoneerbare groepen en H + beweging
StaatnetvliesEiwitCytoplasmaAsp-96SchiffAsp-85Medium
1. bR568trans'T'pH = 7 [ H # 3 + ]PK = 10 [ H # 2 + ] PK = 3pH = 7
2. K610cis'T'pH = 7 [ H # 3 + ]PK = 10 [ H # 2 + ] PK = 10 [ H # 1 + ]PK = 3pH = 7
3. L550cis'T'pH = 7 [ H # 3 + ]PK= 10 [ H # 2 + ] PK &l 6 [ H # 1 + ]PK = 3pH = 7
4. M412 vroeg cis'T'pH = 7 [ H # 3 + ]PK= 10 [ H # 2 + ] PK &l 6 →PK = 3 [ H # 1 + ]pH = 7
5. M412 laat cis'C'pH = 7 [ H # 3 + ]PK= 10 [ H # 2 + ]PK = 10 PK = 3 [ H # 1 + ]pH = 7
6. Nee560cis'C'pH = 7 [ H # 3 + ]PK = 10PK = 10 [ H # 2 + ] PK = 3 →pH = 7 [ H # 1 + ]
7. O640trans'T'pH = 7 →PK= 10 [ H # 3 + ] PK = 10 [ H # 2 + ]PK = 3pH = 7 [ H # 1 + ]
8. bR568trans'T'pH = 7PK= 10 [ H # 3 + ] PK = 10 [ H # 2 + ]PK = 3pH = 7 [ H # 1 + ]

De Schiff-base en de twee Asp-residuen die betrokken zijn bij het pompen van protonen worden getoond. De beweging van drie protonen wordt getoond van het cytoplasma bij pH 7 naar het externe medium ook bij pH 7. (→) protonbewegingen ▪ conformationeel blok. Onthoud dat een groep wordt geprotoneerd als zijn pKEEN hoger is dan de omgevings-pH. Dus de hoge pKEEN van Asp-96 is essentieel als het protonen van een cytoplasma bij pH 7 wil binden. Merk op dat de enige verandering in pKEEN is die van de Schiff-basis zelf. Het schema is een te grote vereenvoudiging en andere aminozuurzijketens kunnen deelnemen aan protonerings-/deprotoneringsgebeurtenissen – zie bijvoorbeeld Mathies et al. (1991) . Er zit waarschijnlijk water in de kanalen die de Schiffse base verbinden met de twee waterige fasen. De PKeen waarden voor de twee Asp-carboxylaten worden weergegeven als invariant, hoewel ze tijdens de cyclus kunnen veranderen. De 'T'-toestand is de geëquilibreerde eiwitconformatie met de all-trans chromofoor de ‘C’ staat is de geëquilibreerde conformatie met een 13-cis chromofoor. Een voorloper van K, J genaamd, vormt zich in 500 fs en ontspant tot K op een tijdschaal van 3 ps. De chromofoorstructuur in J is onduidelijk. De geschatte tijdschaal voor de andere overgangen zijn K → L 2 s, L → M 60 s, M → N 2 ms, N/O 2 ms, O → bR 0,5 ms.

De intermediaire L vormt nu (Tabel 6.1) waarin de Schiffse base een sterk verminderde affiniteit voor protonen heeft, d.w.z. hij heeft een lagere pKeen. Er is gesuggereerd dat dit gebeurt omdat de Schiffse base is verplaatst naar een meer hydrofobe omgeving.


Brent Cornell

  • Pigmenten absorberen licht als energiebron voor fotosynthese
  • Het absorptiespectrum geeft de golflengten (frequentie) aan van het licht dat door elk pigment wordt geabsorbeerd
  • Het actiespectrum geeft de snelheid van fotosynthese aan voor elke golflengte/frequentie
  • Er is een sterke correlatie tussen het cumulatieve absorptiespectrum van alle fotosynthetische pigmenten en het actiespectrum
  • Beide vertonen twee hoofdpieken - een grotere piek bij

450 nm (blauw) en een kleinere piek bij

Absorptiespectrum versus actiespectrum

Chlorofyl en fotosystemen

8.2.8 Het concept van beperkende factoren bij fotosynthese uitleggen, met verwijzing naar lichtintensiteit, temperatuur en concentratie van koolstofdioxide


8.2: De lichtafhankelijke reacties van fotosynthese - biologie

IN DIT HOOFDSTUK

Samenvatting: Dit hoofdstuk bespreekt de basisprincipes van het proces van energiecreatie dat bekend staat als fotosynthese. Ook leer je hoe planten hun energie uit licht halen. Je leert onderscheid te maken tussen de twee fasen en de lichtafhankelijke en de lichtonafhankelijke reacties.

Algemene fotosynthesereactie: H2 O + CO2 + licht &rarr Uit2 + glucose + H2 O.

Lichtafhankelijke reacties: inputs zijn water en lichtproducten zijn ATP, NADPH en O2.

De zuurstof die bij fotosynthese wordt geproduceerd, komt uit het water.

De koolstof in de glucose die bij fotosynthese wordt geproduceerd, is afkomstig van de CO2.

Lichtonafhankelijke reacties (donkerreacties): inputs zijn NADPH, ATP en CO2 producten zijn ADP, NADP+ en suiker.

Invoering

In hoofdstuk 7 , bespraken we hoe menselijke en dierlijke cellen de energie genereren die nodig is om te overleven en te presteren op een dagelijkse basis. Nu gaan we kijken hoe planten hun energie opwekken uit licht en het proces van fotosynthese. We benadrukken in dit hoofdstuk nogmaals wat we zeiden over ademhaling en laat je niet verleiden door het onthouden van elk feit. Zorg ervoor dat u de basisconcepten, de algemene concepten en de belangrijkste ideeën begrijpt. Onthoud dat de meeste fotosynthese van planten plaatsvindt in de bladeren van de plant. De meeste chloroplasten van een plant worden gevonden in mesofylcellen. Onthoud dat er twee fasen zijn in fotosynthese: de lichtafhankelijke reacties en de lichtonafhankelijke reacties, gewoonlijk de "donkere reacties" genoemd. De vereenvoudigde vergelijking van fotosynthese is

De spelers in fotosynthese

Het gastheerorganel voor fotosynthese is de chloroplast, die is verdeeld in een binnen- en buitengedeelte. Het binnenste vloeistofgedeelte wordt de genoemd stroma, die is omgeven door twee buitenste membranen. In Afbeelding 8.1 , kun je zien dat de wikkeling door het stroma een binnenmembraan is dat de wordt genoemd thylakoïde membraansysteem. Dit is waar de eerste fase van fotosynthese plaatsvindt. Dit membraan bestaat uit afgeplatte kanalen en schijven die zijn gerangschikt in stapels genaamd oma. We herinneren ons het thylakoïde systeem altijd als een stapel pokerchips, waarbij elke chip een enkele thylakoïde is. Het is binnen deze pokerchips dat de lichtafhankelijke reacties van fotosynthese plaatsvinden.

Figuur 8.1 Een overzicht van fotosynthese. (uit biologie , 8e ed., door Sylvia S. Mader, & kopie 1985, 1987, 1990, 1993, 1996, 1998, 2001, 2004 door de McGraw Hill Companies, Inc. Gereproduceerd met toestemming van The McGraw-Hill Companies .)

Voordat we het proces van fotosynthese onderzoeken, volgen hier enkele definities die de zaken tijdens het lezen van dit hoofdstuk een beetje gemakkelijker zullen maken.

autotroof: een organisme dat zichzelf voedt. Het verkrijgt koolstof en energie zonder andere organismen op te nemen. Planten en algen zijn goede voorbeelden van autotrofe organismen en halen hun energie uit koolstofdioxide, water en licht. Zij zijn de producenten van de wereld.

Bundel mantelcellen: cellen die strak om de nerven van een blad zijn gewikkeld. Zij zijn de site voor de Calvin cyclus in C4 planten.

C4 plant: plant die zijn fotosyntheseproces heeft aangepast om efficiënter om te gaan met warme en droge omstandigheden.

heterotroof: organismen die andere organismen moeten consumeren om aan voedsel te komen. Zij zijn de consumenten van de wereld.

Mesofyl: binnenweefsel van een blad.

Mesofyl cellen: cellen die veel chloroplasten bevatten en het grootste deel van de fotosynthese herbergen.

Fotolyse: proces waarbij water door een enzym wordt afgebroken tot waterstofionen en zuurstofatomen vindt plaats tijdens de lichtafhankelijke reacties van fotosynthese.

Fotofosforylering: proces waarbij ATP wordt geproduceerd tijdens de lichtafhankelijke reacties van fotosynthese. Het is het chloroplast-equivalent van oxidatieve fosforylering.

Fotorespiratie: proces waarbij zuurstof concurreert met koolstofdioxide en hecht aan RuBP. Planten die fotorespiratie ervaren, hebben een verminderd groeivermogen.

Fotosysteem: een cluster van lichtvangende pigmenten die betrokken zijn bij het proces van fotosynthese. Fotosystemen variëren enorm in hun organisatie en kunnen honderden pigmenten bevatten. De twee belangrijkste zijn fotosystemen I en II van de lichtreacties.

pigment: een molecuul dat licht van een bepaalde golflengte absorbeert. Pigmenten zijn essentieel voor het proces van fotosynthese en omvatten: chlorofyl, carotenoïden, en fycobilinen.

Rubisco: een enzym dat de eerste stap van de Calvincyclus in C . katalyseert3 planten.

Huidmondjes: structuur waardoor CO2 komt een plant binnen en waterdamp en O2 vertrekken.

Transpiratie: natuurlijk proces waardoor planten H . verliezen2 O via verdamping door hun bladeren.

GROOT IDEE 4.C.1

Moleculaire variatie in pigmentmoleculen stelt planten in staat een groter bereik aan golflengten te absorberen .

De reacties van fotosynthese

GROOT IDEE 2.A.1

Alle levende wezens hebben energie nodig .

Het proces van fotosynthese kan netjes worden onderverdeeld in twee reeksen reacties: de lichtafhankelijke reacties en de lichtonafhankelijke reacties. De lichtafhankelijke reacties vinden het eerst plaats en vereisen een toevoer van water en licht. Ze produceren drie dingen: de zuurstof die we inademen, NADPH en ATP. Deze laatste twee producten van de lichtreacties worden vervolgens verbruikt tijdens de tweede fase van de fotosynthese: de donkerreacties. Deze reacties, die CO . nodig hebben2 , NADPH en ATP als inputs, produceren suiker en recyclen de NADP + en ADP om te worden gebruikt door de volgende reeks lichtafhankelijke reacties. Nu zouden we te aardig zijn als we de discussie daar zouden laten. Laten we de reacties eens nader bekijken. Stop met zuchten. . . je weet dat we daar heen moeten.

GROOT IDEE 2.A.2

Autotrophs vangen vrije energie die aanwezig is in zonlicht door middel van fotosynthese .

Lichtafhankelijke reacties

Lichtafhankelijke reacties vinden plaats in het thylakoïde membraansysteem. Het thylakoïde systeem is samengesteld uit de verschillende stapels pokerchip-look-alikes die zich in het stroma van de chloroplast bevinden. Binnen het thylakoïde membraan bevindt zich een fotosynthetische deelnemer genaamd chlorofyl. Er zijn twee hoofdsoorten chlorofyl die u moet onthouden: chlorofyl een en chlorofyl B . chlorofyl een is het belangrijkste pigment van fotosynthese, terwijl chlorofyl B wordt beschouwd als een accessoire pigment. De pigmenten lijken qua structuur erg op elkaar, maar de kleine verschillen verklaren de variatie in hun absorptie van licht. Chlorofyl absorbeert licht van een bepaalde golflengte, en wanneer dat het geval is, wordt een van zijn elektronen naar een hoger energieniveau verheven (hij is "opgewonden"). Vrijwel onmiddellijk valt het aangeslagen elektron terug naar de grondtoestand en geeft daarbij warmte af. Deze energie wordt doorgegeven totdat het chlorofyl vindt een , die, wanneer geëxciteerd, zijn elektron doorgeeft aan de primaire elektronenacceptor, dan zijn de lichtafhankelijke reacties aan de gang.

De pigmenten van de thylakoïde ruimte organiseren zich in groepen genaamd fotosystemen . Deze fotosystemen bestaan ​​uit verschillende combinaties van chlorofylen een , B , en andere pigmenten genaamd phycobilins en een ander type pigment genaamd carotenoïden. De accessoirepigmenten helpen licht op te vangen wanneer chlorofyl een kan het niet zo effectief. Een voorbeeld zijn rode algen op de oceaanbodem. Wanneer licht wordt opgevangen door de hulppigmenten, wordt het gefluoresceerd en gewijzigd zodat chlorofyl een kan het gebruiken.

Stel je voor dat de plant vertegenwoordigd in Afbeelding 8.2 wordt geraakt door het licht van de zon. Dit licht prikkelt de fotosysteem van de thylakoïde ruimte, die het foton absorbeert en de energie van het ene pigmentmolecuul naar het andere overdraagt. Terwijl deze energie wordt doorgegeven, verliest het bij elke stap een beetje energie en bereikt het uiteindelijk chlorofyl een , waarmee het proces van fotosynthese wordt gestart. Het initieert de eerste stap van fotosynthese door het elektron door te geven aan de primaire elektronenacceptor.

Figuur 8.2 Lichtafhankelijke reacties. (Van Biologie, 8e ed., door Sylvia S. Mader, & kopie 1985, 1987, 1990, 1993, 1996, 1998, 2001, 2004 door de McGraw Hill Companies, Inc. Gereproduceerd met toestemming van The McGraw-Hill Companies.)

Voordat we verder gaan, zijn er twee belangrijke fotosystemen waarover we je willen vertellen en misschien wil je hier een pen of potlood pakken om dit op te schrijven, omdat de namen voor deze fotosystemen verwarrend kunnen lijken. Het zijn fotosysteem I en fotosysteem II. Het enige verschil tussen deze twee reactiecentra is dat het belangrijkste chlorofyl van fotosysteem I licht absorbeert met een golflengte van 700 nm, terwijl het belangrijkste chlorofyl van fotosysteem II licht absorbeert met een golflengte van 680 nm. Door interactie met verschillende thylakoïde membraaneiwitten, zijn ze in staat om licht van enigszins verschillende golflengten te absorberen.

Laten we nu teruggaan naar de reacties. Laten we de rest van Afbeelding 8.2 en praten over de lichtafhankelijke reacties. Met als enig doel u in verwarring te brengen, starten planten met fotosynthese door fotosysteem II te gebruiken vóór fotosysteem I. Als licht op fotosysteem II valt, wordt de energie geabsorbeerd en doorgegeven totdat het het P680-chlorofyl bereikt. Wanneer dit chlorofyl wordt geëxciteerd, geeft het zijn elektronen door aan de primaire elektronenacceptor. Dit is waar het watermolecuul in het spel komt. Fotolyse in de thylakoïde ruimte neemt elektronen van H2 O en geeft ze door aan P680 om de elektronen te vervangen die aan de primaire acceptor zijn gegeven. Met deze reactie worden een eenzaam zuurstofatoom en een paar waterstofionen gevormd uit het water. Het zuurstofatoom vindt snel een andere zuurstofatoombuddy, vormt er een paren mee en genereert de O2 dat de planten elke dag zo genadig voor ons uitstaken. Dit is het eerste product van de lichtreacties.

De lichtreacties houden hier echter niet op. We moeten nadenken over wat er gebeurt met het elektron dat is doorgegeven aan de primaire elektronenacceptor. Het elektron wordt doorgegeven aan fotosysteem I, P700, op een manier die doet denken aan de elektronentransportketen. Terwijl de elektronen van P680 naar P700 worden doorgegeven, wordt de verloren energie gebruikt om ATP te produceren (denk aan chemiosmosis). Dit ATP is het tweede product van de lichtreacties en wordt geproduceerd op een manier die mechanisch vergelijkbaar is met de manier waarop ATP wordt geproduceerd tijdens oxidatieve fosforylering van de ademhaling. In planten wordt dit proces van ATP-vorming genoemd fotofosforylering.

Nadat de elektronen van het fotosysteem I zijn geëxciteerd, geeft het fotosysteem I de energie door aan zijn eigen primaire elektronenacceptor. Deze elektronen worden door een andere keten naar beneden gestuurd om ferredoxine, die vervolgens de elektronen doneert aan NADP + om NADPH te produceren, het derde en laatste product van de lichtreacties. (Merk op dat er bij fotosynthese NADPH is in plaats van NADH. Het symbool P kan je helpen herinneren dat het betrekking heeft op fotosynthese. )

Onthoud het volgende over de lichtreacties:

1. De lichtreacties vinden plaats in het thylakoïde membraan.

2. De inputs voor de lichtreacties zijn water en licht.

3. De lichtreacties produceren drie producten: ATP, NADPH en O2 .

4. De zuurstof geproduceerd in de lichtreacties is afkomstig van H2 O, niet CO2 .

In planten komen twee afzonderlijke lichtafhankelijke routes voor. Wat we zojuist hebben besproken, is de niet-cyclische lichtreactie pad. Gezien de naam van de eerste is het niet schokkend om te ontdekken dat er ook een cyclische lichtreactie pad (Afbeelding 8.3 ). Een belangrijk verschil tussen de twee is dat in de niet-cyclische route de elektronen uit chlorofyl een worden niet teruggevoerd naar de grondtoestand. Dit betekent dat de elektronen niet hun weg terug vinden naar het chlorofylmolecuul wanneer de reactie is voltooid. De elektronen komen terecht op NADPH. Een ander belangrijk verschil tussen de twee is dat de cyclische route alleen fotosysteem I gebruikt, fotosysteem II is niet betrokken. In het cyclische pad raakt zonlicht P700, waardoor de elektronen worden opgewonden en ze van P700 naar de primaire elektronenacceptor worden geleid. Het heet de cyclisch pad omdat deze elektronen door de elektronenketen gaan en uiteindelijk terug naar P700 om de cyclus te voltooien. De energie die vrijkomt tijdens de passage door de keten wordt benut om ATP te produceren, het enige product van deze route. Uit deze reacties wordt noch zuurstof noch NADPH geproduceerd.

Figuur 8.3 Cyclische fosforylering . (Van Biologie, 8e ed., door Sylvia S. Mader, & kopie 1985, 1987, 1990, 1993, 1996, 1998, 2001, 2004 door de McGraw Hill Companies, Inc. Gereproduceerd met toestemming van The McGraw-Hill Companies .)

Een vraag die zich zou kunnen vormen terwijl u dit leest, is: "Waarom blijft dit pad bestaan?" of misschien vraag je je af: "Waarom staan ​​​​ze erop me te martelen door over al deze fotosynthese-dingen te schrijven?" We zullen de eerste vraag beantwoorden en de tweede negeren. De cyclische route bestaat omdat de Calvin-cyclus, die we hierna bespreken, meer ATP gebruikt dan NADPH. Dit veroorzaakt uiteindelijk een probleem omdat de lichtreacties gelijke hoeveelheden ATP en NADPH produceren. De plant compenseert dit verschil door in de cyclische fase te vallen wanneer dat nodig is om de ATP te produceren die nodig is om te voorkomen dat de lichtonafhankelijke reacties tot stilstand komen.

Voordat we verder gaan met de Calvin-cyclus, is het belangrijk om te begrijpen hoe ATP wordt gevormd. We weten het, we weten het. . . je dacht dat we klaar waren. . . maar we willen dat je een expert bent op het gebied van fotosynthese. Je weet nooit wanneer deze feiten van pas kunnen komen. Onlangs kreeg een van ons bijvoorbeeld $ 10.000 aangeboden door een willekeurig persoon op straat om de overeenkomsten tussen fotosynthese en ademhaling te vertellen. Dus, dit spul is nuttig in het dagelijks leven. Terwijl de elektronen van de primaire elektronenacceptor naar het volgende fotosysteem gaan, worden waterstofionen van buiten het membraan opgepikt en teruggebracht in het thylakoïde compartiment, waardoor een H+-gradiënt ontstaat die vergelijkbaar is met wat we zagen bij oxidatieve fosforylering. Tijdens de lichtafhankelijke reacties, wanneer waterstofionen uit water worden gehaald tijdens fotolyse, wordt de protongradiënt groter, waardoor sommige protonen vertrekken, wat leidt tot de vorming van ATP.

Je zult merken dat dit proces in planten een beetje anders is dan oxidatieve fosforylering van de mitochondriën, waar de protongradiënt wordt gecreëerd door protonen uit de matrix te pompen uit naar de intermembrane ruimte. In de mitochondriën wordt de ATP geproduceerd wanneer de protonen terug bewegen in . Maar in planten creëert fotofosforylering de gradiënt door protonen van het stroma naar het thylakoïde compartiment te pompen, en de ATP wordt geproduceerd als de protonen terug bewegen uit . De tegengestelde reacties produceren hetzelfde gelukkige resultaat en meer ATP voor de cellen.

Lichtonafhankelijke reacties (Calvin-cyclus)

Nadat de lichtreacties de nodige ATP en NADPH hebben geproduceerd, is de synthesefase van fotosynthese klaar om verder te gaan. De inputs in de Calvin-cyclus zijn NADPH (die waterstof en elektronen levert), ATP (die energie levert) en CO2 . Vanaf hier, zodat we je niet rijden gestoord overschakelen van term naar term, gaan we de donkere reacties van fotosynthese de . noemen Calvin cyclus (Afbeelding 8.4 ). De Calvin-cyclus vindt plaats in het stroma van de chloroplast, de vloeistof rond de thylakoïde "pokerchips". (Voor verder onderscheid tussen de cyclische route, de niet-cyclische route en de Calvin-cyclus, zie: Afbeelding 8.5 .)

Figuur 8.4 De Calvincyclus. (Van Biologie, 8e ed., door Sylvia S. Mader, & kopie 1985, 1987, 1990, 1993, 1996, 1998, 2001, 2004 door de McGraw Hill Companies, Inc. Gereproduceerd met toestemming van The McGraw-Hill Companies .)

Figuur 8.5 Samenvatting fotosynthese.

De Calvincyclus begint met een stap genaamd Koolstoffixatie. Dit is een lastige en complexe term waardoor het verwarrender klinkt dan het in werkelijkheid is. Koolstoffixatie is in feite de binding van de koolstof uit CO2 tot een molecuul dat in staat is de Calvincyclus binnen te gaan. Gewoonlijk is dit molecuul ribulose-bisfosfaat, een 5-koolstofmolecuul dat bij zijn beste vrienden bekend staat als RuBP. Deze reactie wordt bijgestaan ​​door het enzym met een van de koelere namen in het bedrijf: rubisco. Het resultaat van deze reactie is een 6-koolstofmolecuul dat uiteenvalt in twee 3-koolstofmoleculen genaamd 3-fosfoglyceraat (3PG). ATP en NADPH treden op dit punt op en doneren respectievelijk een fosfaatgroep en waterstofelektronen aan (3PG) om glyceraldehyde 3-fosfaat (G3P) te vormen. Het grootste deel van het geproduceerde G3P wordt terug omgezet in RuBP om meer koolstof vast te leggen. Het resterende G3P wordt omgezet in een suikermolecuul met 6 koolstofatomen, dat wordt gebruikt om koolhydraten voor de plant te bouwen. Dit proces gebruikt meer ATP dan NADPH. Dit is de ongelijkheid die cyclische fotofosforylering noodzakelijk maakt in de lichtafhankelijke reacties.

We weten dat voor sommigen van jullie de voorgaande discussie veel moeilijke wetenschappelijke namen, vreemd gespelde woorden en esoterische acroniemen bevat. Dus, hier komt het op neer & mdash, onthoud het volgende over de Calvin-cyclus:

1. De Calvin-cyclus vindt plaats in het stroma van de chloroplast.

2. De inputs in de Calvin-cyclus zijn NADPH, ATP en CO2 .

3. De producten van de Calvincyclus zijn NADP+, ADP en een suiker.

4. Er wordt meer ATP gebruikt dan NADPH, waardoor cyclische fotofosforylering nodig is om voldoende ATP voor de reacties te creëren.

5. De koolstof van de suiker die bij fotosynthese wordt geproduceerd, is afkomstig van de CO2 van de Calvincyclus.

Soorten fotosynthese

Planten leven niet altijd onder ideale fotosynthetische omstandigheden. Sommige planten moeten het systeem aanpassen om met succes licht te gebruiken en energie te produceren. Planten bevatten een structuur genaamd a huidmondjes, die bestaat uit poriën waardoor zuurstof naar buiten gaat en kooldioxide het blad binnenkomt om te worden gebruikt bij fotosynthese. Transpiratie is het natuurlijke proces waarbij planten water verliezen door verdamping van hun bladeren. Wanneer de temperatuur erg hoog is, moeten planten zich zorgen maken over overmatige transpiratie. Dit is een potentieel probleem voor planten omdat ze het water nodig hebben om het proces van fotosynthese voort te zetten. Om dit verdampingsprobleem tegen te gaan, moeten planten hun huidmondjes sluiten om water te besparen. Maar deze oplossing leidt tot twee verschillende problemen: (1) hoe brengen ze de CO . binnen2 nodig voor fotosynthese? en (2) wat doen de planten met de overtollige O2 dat zich ophoopt als de huidmondjes gesloten zijn?

Wanneer planten hun huidmondjes sluiten om te beschermen tegen waterverlies, ervaren ze een tekort aan CO2 en de zuurstof die door de lichtreacties wordt geproduceerd, kan de plant niet verlaten. Deze overtollige zuurstof concurreert met de koolstofdioxide en hecht zich aan RuBP in een reactie genaamd fotorespiratie. Dit resulteert in de vorming van één molecuul PGA en één molecuul fosfoglycolaat. Dit is geen ideale reactie omdat de suiker die bij fotosynthese wordt gevormd, afkomstig is van het PGA, niet van fosfoglycolaat. Als gevolg hiervan hebben planten die fotorespiratie ervaren een verlaagd groeivermogen. Fotorespiratie treedt meestal op op warme, droge dagen wanneer de huidmondjes van de plant gesloten zijn.

Een groep planten genaamd C4 planten bestrijdt fotorespiratie door de eerste stap van hun Calvin-cyclus te veranderen. Normaal gesproken produceert koolstoffixatie twee 3-koolstofmoleculen. in C4 planten, produceert de koolstoffixatiestap een 4-koolstofmolecuul genaamd oxaalacetaat. Dit molecuul wordt omgezet in malaat en van de mesofylcellen naar de bundelschedecellen gestuurd, waar de CO2 wordt gebruikt om suiker op te bouwen. De mesofyl is het weefsel van het binnenste van het blad, en mesofylcellen zijn cellen die trossen chloroplasten bevatten. Bundel mantelcellen zijn cellen die strak om de nerven van een blad zijn gewikkeld. Ze zijn de site voor de Calvin-cyclus in C4 planten.

Wat is het verschil tussen C3 planten en C4 planten? Een verschil is dat C4 planten hebben twee verschillende soorten fotosynthetische cellen: (1) dicht opeengepakte bundelschedecellen, die de nerf van het blad omringen, en (2) mesofylcellen. Een ander verschil betreft het eerste product van koolstoffixatie. voor C3 planten, het is PGA, voor C4 planten, het is oxaalacetaat. C4 planten kunnen in deze hete gebieden met succes fotosynthese uitvoeren vanwege de aanwezigheid van een enzym genaamd PEP (fosfoenolpyruvaat ) carboxylase . Dit enzym wil heel graag binden aan CO2 en wordt niet misleid door de sluwe zuurstof om het te gebruiken in plaats van de noodzakelijke CO2 . PEP-carboxylase koppelt bij voorkeur met CO2 in plaats van O2 , en dit vermindert de fotorespiratie voor C4 planten. De omzetting van PEP naar oxaalacetaat vindt plaats in de mesofylcellen, waarna PEP, na te zijn omgezet in malaat, naar de bundelschedecellen wordt getransporteerd. Deze cellen bevatten de enzymen van fotosynthese, waaronder onze goede vriend rubisco. Het malaat geeft de CO . af2 , die vervolgens door rubisco wordt gebruikt om de reacties van fotosynthese uit te voeren. Dit proces gaat het probleem van fotorespiratie tegen omdat het pendelen van CO2 van de mesofylcellen naar de bundelschedecellen houdt de CO2 concentratie hoog genoeg zodat het niet wordt verslagen door zuurstof voor de liefde en aandacht van rubisco.

Een laatste variatie van fotosynthese waar we naar moeten kijken, is de functie die wordt uitgevoerd door CAM (Crassulacean zuur metaboliserende) planten en wateropslaande planten, zoals cactussen, die hun huidmondjes overdag sluiten en 's nachts openen om transpiratie tijdens de warme dagen te voorkomen, zonder de CO2 van de plant uit te putten2 reserves. de CO2 die 's nachts worden ingenomen, worden als organische zuren in de vacuolen van mesofylcellen opgeslagen tot het ochtendgloren wanneer de huidmondjes sluiten. De Calvincyclus kan overdag doorgaan omdat de opgeslagen CO2 wordt, indien nodig, vrijgemaakt uit de organische zuren die moeten worden opgenomen in het suikerproduct van de Calvin-cyclus.

Om deze twee variaties van fotosynthese samen te vatten:

C4 fotosynthese: fotosynthetisch proces dat eerst CO . omzet2 in een 4-koolstofmolecuul in de mesofylcellen, zet dat product om in malaat en brengt het malaat vervolgens naar de bundelschedecellen. Daar geeft malaat CO . af2 , die reageert met rubisco om het koolhydraatproduct van fotosynthese te produceren.

CAM-fotosynthese: planten sluiten overdag hun huidmondjes, verzamelen CO2 's nachts, en bewaar de CO2 in de vorm van zuren totdat het overdag nodig is voor fotosynthese.

Beoordelingsvragen

Vragen 1–4 verwijzen naar de volgende antwoordkeuzen en gebruik elk antwoord slechts één keer.

D. Cyclische fotofosforylering

E. Niet-cyclische fotofosforylering

1 . Planten gebruiken dit proces zodat ze 's nachts hun huidmondjes kunnen openen en overdag hun huidmondjes kunnen sluiten om waterverlies tijdens de warme dagen te voorkomen, zonder de CO2 van de plant uit te putten2 reserves.

2 . Gebruikt NADPH, ATP en CO2 als input voor zijn reacties.

3 . Photosynthetic process that has ATP as its sole product. There is no oxygen and no NADPH produced from these reactions.

4 . The process by which plants lose water via evaporation through their leaves.

5 . The photosynthetic process performed by some plants in an effort to survive the hot and dry conditions of climates such as the desert is called

D. cyclic photophosphorylation.

E. noncyclic photophosphorylation.

6 . Which of the following is the photosynthetic stage that produces oxygen?

A. The light-dependent reactions

7 . Which of the following reactions occur in both cellular respiration and photosynthesis?

8 . Welke van de volgende is? niet a product of the light-dependent reactions of photosynthesis?

9 . Which of the following is an advantage held by a C4 plant?

A. More efficient light absorption

B. More efficient photolysis

C. More efficient carbon fixation

D. More efficient uptake of carbon dioxide into the stomata

E. More efficient ATP synthesis during chemiosmosis

10 . Carbon dioxide enters the plant through the

11 . Which of the following is the source of the oxygen released during photosynthesis?

12 . Which of the following is an incorrect statement about the Calvin cycle?

A. The main inputs to the reactions are NADPH, ATP, and CO2 .

B. The main outputs of the reactions are NADP + , ADP, and sugar.

C. More NADPH is used than ATP during the Calvin cycle.

D. Carbon fixation is the first step of the process.

E. The reactions occur in the stroma of the chloroplast.

13 . Which of the following is the source of the carbon in sugar produced during photosynthesis?

14 . The light-dependent reactions of photosynthesis occur in the

Antwoorden en uitleg

1 . C &mdashCAM plants open their stomata at night and close their stomata during the day to avoid water loss due to heat. The carbon dioxide taken in during the night is incorporated into organic acids and stored in vacuoles until the next day, when the stomata close and CO2 is needed for the Calvin cycle.

2 . B &mdashThe Calvin cycle uses ATP, NADPH, and CO2 to produce the desired sugar output of photosynthesis.

3 . NS &mdashCyclic photophosphorylation occurs because the Calvin cycle uses more ATP than it does NADPH. This is a problem because the light reactions produce an equal amount of ATP and NADPH. The plant compensates for this disparity by dropping into the cyclic phase when needed to produce the ATP necessary to keep the light-independent reactions from grinding to a halt.

4 . EEN &mdashTranspiration is the process by which plants lose water through their leaves. Not much else to be said about that.

5 . C &mdashOne of the major problems encountered by plants in hot and dry conditions is of photo-respiration. In hot conditions, plants close their stomata to avoid losing water to transpiration. The problem with this is that the plants run low on CO2 and fill with O2 . The oxygen competes with the carbon dioxide and attaches to RuBP, leaving the plant with a lowered capacity for growth. C4 plants cycle CO2 from mesophyll cells to bundle sheath cells, creating a higher concentration of CO2 in that region, thus allowing rubisco to carry out the Calvin cycle without being distracted by the O2 competitor.

6 . EEN &mdashThe light-dependent reactions are the source of the oxygen given off by plants.

7 . NS &mdashChemiosmosis occurs in both photosynthesis and cellular respiration. This is the process by which the formation of ATP is driven by electrochemical gradients in the cell. Hydrogen ions accumulate on one side of a membrane, creating a proton gradient that causes them to move through channels to the other side of that membrane, thus leading, with the assistance of ATP synthase, to the production of ATP.

8 . NS &mdashSugar is a product not of the light-dependent reactions of photosynthesis but of the Calvin cycle (the dark reactions). The outputs of the light-dependent reactions are ATP, NADPH, and O2 .

9 . C &mdashC4 plants fix carbon more efficiently than do C3 planten. Please see the explanation for question 5 for a more detailed explanation of this answer.

10 . EEN &mdashThe stomata is the structure through which the CO2 enters a plant and the oxygen produced in the light-dependent reactions leaves the plant.

11 . B &mdashThe source of the oxygen produced during photosynthesis is the water that is split by the process of photolysis during the light-dependent reactions of photosynthesis. In this reaction, two hydrogen ions and an oxygen atom are formed from the water. The oxygen atom immediately finds and pairs up with another oxygen atom to form the oxygen product of the light-dependent reactions.

12 . C &mdashThis is a trick question. We reversed the two compounds (NADPH and ATP) in this one. More ATP than NADPH is used in the Calvin cycle. It is for this reason that cyclic photophosphorylation exists&mdashto produce ATP to make up for this disparity.

13 . EEN &mdashThe carbon of CO2 is used to produce the sugar created during the Calvin cycle.

14 . C &mdashThe light-dependent reactions occur in the thylakoid membrane of the chloroplast. Remember, the thylakoid system resembles the various stacks of poker chips located within the stroma of the chloroplast. The light-independent reactions occur in the stroma of the chloroplast.

Snelle beoordeling

The following terms should be thoroughly familiar to you:

Photosynthesis: process by which plants use the energy from light to generate sugar.

• Light reactions (thylakoid)

Autotroph: self-nourishing organism that is also known as a producer (plants).

Heterotroph: organisms that must consume other organisms to obtain energy&mdashconsumers (humans).

Transpiration: loss of water via evaporation through the stomata (natural process).

Photophosphorylation: process by which ATP is made during light reactions.

Photolysis: process by which water is split into hydrogen ions and oxygen atoms (light reactions).

Stomata: structure through which CO2 enters a plant, and water vapor and oxygen leave a plant.

Pigment: molecule that absorbs light of a particular wavelength (chlorophyll, carotenoid, phycobilins).

There are three types of photosynthesis reactions:

(Noncyclic ) lichtafhankelijke reacties

• Occur in thylakoid membrane of chloroplast.

• Inputs are light and water.

• Light strikes photosystem II (P680).

• Electrons pass along until they reach primary electron acceptor.

• Photolysis occurs&mdashH2 O is split to H + and O2 .

• Electrons pass down an ETC to P700 (photosystem I), forming ATP by chemiosmosis.

• Electrons of P700 pass down another ETC to produce NADPH.

• Three products of light reactions are NADPH, ATP, and O2 .

• Oxygen produced comes from H2 O.

(Cyclisch ) lichtafhankelijke reacties

• Occur in thylakoid membrane.

• Only involves photosystem I no photosystem II.

• ATP is the only product of these reactions.

• No NADPH or oxygen are produced.

• These reactions exist because the Calvin cycle uses more ATP than NADPH this is how the difference is made up.

Lichtonafhankelijke reacties (Calvin cyclus )

• Occurs in stroma of chloroplast.

• Inputs are NADPH, ATP, and CO2 .

• First step is carbon fixation, which is catalyzed by an enzyme named rubisco.

• A series of reactions lead to the production of NADP + , ADP, and sugar.

• More ATP is used than NADPH, which creates the need for the cyclic light reactions.

• The carbon of the sugar product comes from CO2 .

C4 planten &mdashplants that have adapted their photosynthetic process to more efficiently handle hot and dry conditions.

C4 fotosynthese &mdashprocess that first converts CO2 into a 4-carbon molecule in the mesophyll cells, converts Dat product to malate, and then shuttles it to the bundle sheath cells, where the malate releases CO2 and rubisco picks it up as if all were normal.

CAM plants &mdashplants that close their stomata during the day, collect CO2 at night, and store the CO2 in the form of acids until it is needed during the day for photosynthesis.

Fotosynthese

1 . Which of the following do CAM and C4 plants have in common?

(A) They are known to survive well in excessively moist environments.

(B) They readily bind carbon dioxide.

(C) They produce sugar more efficiently than do C3 planten.

(D) They produce ATP less efficiently than do C3 planten.

2 . All of the following are directly involved in photosystems EXCEPT

3 . Which of the following processes occurs in both cellular respiration and photosynthesis?

4 . Which of the following processes represents an anaerobic pathway that produces ATP less efficiently than do oxygen-driven processes?

Antwoorden en uitleg

1 . B &mdashBoth plants provide alternatives to carbon fixation and readily attach to carbon dioxide molecules.

2 . NS &mdashRubisco is the only choice not directly involved in photosystems. Rubisco is an enzyme that catalyzes the first step of the Calvin cycle in C3 planten.

3 . NS &mdashChemiosmosis is the process by which the formation of ATP is driven by electrochemical gradients in the cell. This process occurs in both respiration and photosynthesis.

Als u de auteursrechthebbende bent van materiaal op onze site en van plan bent dit te verwijderen, neem dan contact op met onze sitebeheerder voor goedkeuring.


Praktisch werk om te leren

It is fairly easy to show that plants produce oxygen and starch in fotosynthese. At age 14–16 students may have collected the gas given off by pond weed (for example Elodea) and tested leaves for starch.

It is not quite so easy to demonstrate the other reactions in photosynthesis. Voor de reduction of carbon dioxide to carbohydrate there must be a source of elektronen. In the cell, NADP is the electron acceptor which is reduced in the light-dependent reactions, and which provides electrons and hydrogen for the light-independent reactions.

In this investigation, DCPIP (2,6-dichlorophenol-indophenol), a blue dye, acts as an electron acceptor and becomes colourless when reduced, allowing any reducing agent produced by the chloroplasts to be detected.

Lesorganisatie

This investigation depends on working quickly and keeping everything cool. Your students will need to understand all the instructions in advance to be sure that they know what they are doing.

Apparaten en chemicaliën

Per student or group of students:

Centrifuge – with RCF between 1500 and 1800g

Fresh green spinach, lettuce or cabbage, 3 leaves (discard the midribs)

Cold pestle and mortar (or blender or food mixer) which has been kept in a freezer compartment for 15–30 minutes (if left too long the extract will freeze)

Muslin or fine nylon mesh

Glass rod or Pasteur pipette

Measuring cylinder, 20 cm 3

Pipettes, 5 cm 3 and 1 cm 3

Bench lamp with 100 W bulb

Waterproof pen to label tubes

Colorimeter and tubes or light sensor and data logger

0.05 M phosphate buffer solution, pH 7.0: Store in a refrigerator at 0–4 °C (Notitie 1).

Isolation medium (sucrose and KCl in phosphate buffer): Store in a refrigerator at 0–4 °C (Opmerking 2:).

Potassium chloride (Low Hazard) (Notitie 3).

DCPIP solution (Low Hazard): (1 x 10 - 4 M approx.) (Opmerking 4)

Gezondheid & veiligheid en technische opmerkingen

Although DCPIP presents minimal hazard apart from staining, it is best to avoid skin contact in case prolonged contact with the dye causes sensitisation.
Do not handle electric light bulbs with wet hands.
All solutions used are low hazard – refer to relevant CLEAPSS Hazcards and Recipe cards for more information.

1 0.05 M phosphate buffer solution, pH 7.0. nee2HPO4.12H2O, 4.48 g (0.025 M) KH2PO4, 1.70 g (0.025 M). Make up to 500 cm 3 with distilled water and store in a refrigerator at 0–4 °C. Low hazard – refer to CLEAPSS Hazcard 72.

2 Isolation medium. Sucrose 34.23 g (0.4 M) KCl 0.19 g (0.01 M). Dissolve in phosphate buffer solution (pH 7.0) at room temperature and make up to 250 cm 3 with the buffer solution. Store in a refrigerator at 0–4 °C. Low hazard – refer to CLEAPSS Hazcard 40C.

3 Potassium chloride 0.05 M. Dissolve 0.93 g in phosphate buffer solution at room temperature and make up to 250 cm 3 . Store in a refrigerator at 0–4 °C. Use at room temperature.(Note that Potassium chloride is a cofactor for the Hill reaction.) Refer to CLEAPSS Hazcard 47B and Recipe card 51.

4 DCPIP solution DCPIP 0.007–0.01 g, made up to 100 cm 3 with phosphate buffer. Refer to CLEAPSS Hazcard 32 and Recipe card 46.

Procedure

Keep solutions and apparatus cold during the extraction procedure, steps 1–8, to preserve enzyme activity. Carry out the extraction as quickly as possible.

Voorbereiding

een Cut three small green spinach, lettuce or cabbage leaves into small pieces with scissors, but discard the tough midribs and leaf stalks. Place in a cold mortar or blender containing 20 cm 3 of cold isolation medium. (Scale up quantities for blender if necessary.)

B Grind vigorously and rapidly (or blend for about 10 seconds).

C Place four layers of muslin or nylon in a funnel and wet with cold isolation medium.

NS Filter the mixture through the funnel into the beaker and pour the filtrate into pre-cooled centrifuge tubes supported in an ice-water-salt bath. Gather the edges of the muslin, wring thoroughly into the beaker, and add filtrate to the centrifuge tubes.

e Check that each centrifuge tube contains about the same volume of filtrate.

F Centrifuge the tubes for sufficient time to get a small pellet of chloroplasts. (10 minutes at high speed should be sufficient.)

G Pour off the liquid (supernatant) into a boiling tube being careful not to lose the pellet. Re-suspend the pellet with about 2 cm 3 of isolation medium, using a glass rod. Squirting in and out of a Pasteur pipette five or six times gives a uniform suspension.

H Store this leaf extract in an ice-water-salt bath and use as soon as possible.

Investigation using the chloroplasts

Read all the instructions before you start. Use the DCPIP solution at room temperature.

l Set up 5 labelled tubes as follows.

J When the DCPIP is added to the extract, shake the tube and note the time. Place tubes 1, 2 and 4 about 12–15 cm from a bright light (100 W). Place tube 3 in darkness.

k Time how long it takes to decolourise the DCPIP in each tube. If the extract is so active that it decolourises within seconds of mixing, dilute it 1:5 with isolation medium and try again.

Lesnotities

Traditionally the production of oxygen and starch are used as evidence for photosynthesis. The light-dependent reactions produce a reducing agent. This normally reduces NADP, but in this experiment the electrons are accepted by the blue dye DCPIP. Reduced DCPIP is colourless. The loss of colour in the DCPIP is due to reducing agent produced by light-dependent reactions in the extracted chloroplasts.

Students must develop a clear understanding of the link between the light-dependent and light-independent reactions to be able to interpret the results. Robert Hill originally completed this investigation in 1938 he concluded that water had been split into hydrogen and oxygen. This is now known as the Hill reaction.

You can examine a drop of the sediment extract with a microscope under high power to see chloroplasts. There will be fewer chloroplasts in the supernatant – which decolourises the DCPIP more slowly, reinforcing the idea that the reduction is the result of chloroplast activity.

Sample results

Using a bench centrifuge

The experimental procedure was followed. A standard lab centrifuge was used to spin down the chloroplasts (Clifton NE 010GT/I) at 2650 RPM, 95 X G gedurende 10 minuten.

The experiment was started within 5 minutes of preparing the chloroplasts. The reaction was followed using an EEL colorimeter with a red filter – readings taken every minute.

Tube 3 (incubated in the dark) gave a reading of 5.4 absorption units after 20 minutes.
Tube 2 (DCPIP with no leaf extract) was 6.2 absorption units.

Using a micro-centrifuge

The experiment was repeated using a micro-centrifuge.

Tube 3 (incubated in the dark) gave a reading of 4.9 absorption units after 10 minutes.

Tube 2 (DCPIP with no leaf extract) was 6.4 absorption Units.

The relative activity of the pellet was higher than when the bench centrifuge was used. The micro-centrifuge tubes were only 1.5 cm 3 capacity – not ideal for this practical. A higher speed bench centrifuge would be better.

In order to check for loss of chloroplast activity, the experiment was repeated using the same chloroplast suspension 1 and 2 hours after preparation. Chloroplast suspension was kept in a salt-ice bath. There was no loss of activity when the extract was kept in ice for up to 2 hours.

Student questions

1 Describe and explain the changes observed in the five tubes. Compare the results and make some concluding comments about what they show.

2 The rate of photosynthesis in intact leaves can be limited by several factors including light, temperature and carbon dioxide. Which of these factors will have little effect on the reducing capacity of the leaf extract?

3 Describe how you might extend this practical to investigate the effect of light intensity on the light-dependent reactions of photosynthesis.

1 Colour change and inferences that can made from the results:
Tube 1 (leaf extract + DCPIP) colour changes until it is the same colour as tube 4 (leaf extract + distilled water).
Tube 2 (isolation medium + DCPIP) no colour change. This shows that the DCPIP does not decolourise when exposed to light.
Tube 3 (leaf extract + DCPIP in the dark) no colour change. It can therefore be inferred that the loss of colour in tube 1 is due to the effect of light on the extract.
Tube 4 (leaf extract + distilled water) no colour change. This shows that the extract does not change colour in the light. It acts as a colour standard for the extract without DCPIP.
Tube 5 (supernatant + DCPIP) no colour change if the supernatant is clear if it is slightly green there may be some decolouring.
The results should indicate that the light-dependent reactions of photosynthesis are restricted to the chloroplasts that have been extracted.

2 Carbon dioxide will have no effect, because it is not involved in the light-dependent reactions.

3 Students should describe a procedure in which light intensity is varied but temperature is controlled.


Lichtafhankelijke reacties

This activity reviews the light dependent reactions of photosynthesis which occurs on the thylakoids of the chloroplast. A first activity introduces the parts of the membrane and the stages of the reactions, a second activity uses SOLO hexagons to give students an opportunity to organise the ideas into a sequence or into groups. The final activity illustrates a method of remembering a complex sequence of reactions like.

Om toegang te krijgen tot de volledige inhoud van deze site, moet u inloggen of u erop abonneren.


Bekijk de video: Binas tabel 69C - DonkerreactieCalvincyclus (December 2021).