Informatie

18.7C: Zuurstoffotosynthese: lichtonafhankelijke reacties - biologie


leerdoelen

  1. Beschrijf in het kort de algemene functie van de lichtonafhankelijke reacties bij fotosynthese en geef aan waar in de chloroplast ze optreden.
  2. Geef aan hoe de lichtafhankelijke en lichtonafhankelijke reacties met elkaar verbonden zijn tijdens fotosynthese.
  3. Geef de reactanten en de producten voor de lichtonafhankelijke reacties.
  4. Beschrijf kort de volgende fasen van de Calvincyclus:
    1. CO2 fixatie
    2. productie van G3P
    3. regeneratie van RuBP
  5. Noem de betekenis van glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P) in de Calvincyclus.

De endergonische lichtonafhankelijke reacties van fotosynthese gebruiken de ATP en NADPH die zijn gesynthetiseerd tijdens de exergonische lichtafhankelijke reacties om de energie te leveren voor de synthese van glucose en andere organische moleculen uit anorganisch koolstofdioxide en water. Dit gebeurt door koolstofatomen uit CO . te "fixeren"2 tot de koolstofskeletten van bestaande organische moleculen. Deze reacties vinden plaats in het stroma van de chloroplasten.

De lichtonafhankelijke reacties kunnen als volgt worden samengevat:

[12 NADPH + 18 ATP + 6 CO_2 ightarrow underbrace{C_6H_{12}O_6}_{glucose} + 12 NADP^+ + 18 ADP + 18 P_i + 6 H_2O]

De meeste planten gebruiken de Calvin (C3) cyclus om kooldioxide te fixeren. C3 verwijst naar het belang van 3-koolstofmoleculen in de cyclus. Sommige planten, bekend als C4 planten en CAM-planten, verschillen in hun initiële koolstoffixatiestap. De Calvincyclus bestaat uit drie fasen: 1) CO2 fixatie; 2) productie van G3P; en 3) regeneratie van RuBP. We zullen nu elke fase bekijken.

Afbeelding (PageIndex{18}).7C.1: De Calvincyclus

Fase 1: CO2 fixatie

Om de Calvin-cyclus te beginnen, wordt een molecuul CO2 reageert met een vijf-koolstofverbinding genaamd ribulosebisfosfaat (RuBP), waarbij een onstabiel zes-koolstoftussenproduct wordt geproduceerd dat onmiddellijk uiteenvalt in twee moleculen van de drie-koolstofverbinding fosfoglyceraat (PGA) (Figuur (PageIndex{18}).7C .1). De koolstof die deel uitmaakte van anorganische CO2 maakt nu deel uit van het koolstofskelet van een organisch molecuul. Het enzym voor deze reactie is ribulosebisfosfaatcarboxylase (Rubisco). In totaal zes moleculen CO2 moet op deze manier worden gefixeerd om één molecuul van de suikerglucose met zes koolstofatomen te produceren.

Fase 2: Productie van G3P van PGA

De energie van ATP en het reducerende vermogen van NADPH (beide geproduceerd tijdens de lichtafhankelijke reacties) wordt nu gebruikt om de moleculen van PGA om te zetten in glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P), een andere drie-koolstofverbinding (Figuur (PageIndex {18}).7C.1). Voor elke zes moleculen CO2 die de Calvin-cyclus binnengaan, worden twee moleculen G3P geproduceerd. Het grootste deel van de G3P die tijdens de Calvin-cyclus wordt geproduceerd - 10 van elke 12 geproduceerde G3P - wordt gebruikt om de RuBP te regenereren zodat de cyclus kan worden voortgezet. Sommige van de moleculen van G3P worden echter gebruikt om glucose en andere organische moleculen te synthetiseren. Zoals te zien is in figuur (PageIndex{18}).7C.1, kunnen twee moleculen van het drie-koolstof G3P worden gebruikt om één molecuul van de zes-koolstof suiker glucose te synthetiseren. De G3P wordt ook gebruikt om de andere organische moleculen te synthetiseren die nodig zijn voor foto-autotrofen (Figuur (PageIndex{18}).7C.2).

Afbeelding (PageIndex{18}).7C.2: Producten gesynthetiseerd uit glyceraldehyde-3-fosfaat. Glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P), het eindproduct van de Calvin-cyclus, kan worden omgezet in veel verschillende organische moleculen die nodig zijn voor foto-autotrofen.

Fase 3: Regeneratie van RuBP van G3P

Zoals vermeld in de vorige stap, wordt het grootste deel van de G3P die tijdens de Calvin-cyclus wordt geproduceerd - 10 van elke 12 geproduceerde G3P - gebruikt om de RuBP te regenereren zodat de cyclus kan doorgaan (Figuur (PageIndex{18}).7C. 1). Tien moleculen van de drie-koolstofverbinding G3P vormen uiteindelijk zes moleculen van de vier-koolstofverbinding ribulosefosfaat (RP). Elk RP-molecuul wordt vervolgens gefosforyleerd door de hydrolyse van ATP om ribulosebisfosfaat (RuBP) te produceren, de uitgangsverbinding voor de Calvin-cyclus.

Samenvatting

  1. Fotoautotrofen absorberen en zetten lichtenergie om in de opgeslagen energie van chemische bindingen in organische moleculen via een proces dat fotosynthese wordt genoemd.
  2. Planten, algen en cyanobacteriën staan ​​bekend als zuurstofrijke foto-autotrofen omdat ze organische moleculen synthetiseren uit anorganische materialen, lichtenergie omzetten in chemische energie, water gebruiken als elektronenbron en zuurstof genereren als eindproduct van fotosynthese.
  3. Zuurstoffotosynthese bestaat uit twee fasen: de lichtafhankelijke reacties en de lichtonafhankelijke reacties.
  4. De lichtonafhankelijke reacties gebruiken de ATP en NADPH van de lichtafhankelijke reacties om koolstofdioxide te verminderen en de energie om te zetten in de chemische bindingsenergie in koolhydraten zoals glucose.
  5. De lichtonafhankelijke reacties kunnen als volgt worden samengevat: 12 NADPH + 18 ATP + 6 CO2 levert C6H12O6 (glucose) + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pl + 6 H2O.
  6. De meeste planten gebruiken de Calvin-cyclus om CO . te fixeren2. Om de Calvin-cyclus te beginnen, wordt een molecuul CO2 reageert met een vijf-koolstofverbinding genaamd ribulosebisfosfaat (RuBP), waarbij een onstabiel zes-koolstoftussenproduct wordt geproduceerd dat onmiddellijk uiteenvalt in twee moleculen van de drie-koolstofverbinding fosfoglyceraat (PGA).
  7. De energie van ATP en het reducerende vermogen van NADPH (beide geproduceerd tijdens de lichtafhankelijke reacties) wordt nu gebruikt om de moleculen van PGA om te zetten in glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P), een andere drie-koolstofverbinding.
  8. Het grootste deel van het G3P dat tijdens de Calvin-cyclus wordt geproduceerd, wordt gebruikt om de RuBP te regenereren, zodat de cyclus kan doorgaan, maar sommige van de moleculen van G3P worden echter gebruikt om glucose en andere organische moleculen te synthetiseren.

18.7C: Zuurstoffotosynthese: lichtonafhankelijke reacties - biologie

De processen in alle organismen - van bacteriën tot mensen - vereisen energie. Om deze energie te krijgen, krijgen veel organismen toegang tot opgeslagen energie door te eten, dat wil zeggen door andere organismen in te nemen. Maar waar komt de opgeslagen energie in voedsel vandaan? Al deze energie is terug te voeren op fotosynthese.

Fotosynthese is essentieel voor al het leven op aarde, zowel planten als dieren zijn ervan afhankelijk. Het is het enige biologische proces dat energie kan opvangen die afkomstig is uit de ruimte (zonlicht) en deze kan omzetten in chemische verbindingen (koolhydraten) die elk organisme gebruikt om zijn metabolisme aan te drijven. Kortom, de energie van zonlicht wordt opgevangen en gebruikt om elektronen van energie te voorzien, die vervolgens worden opgeslagen in de covalente bindingen van suikermoleculen. Hoe duurzaam en stabiel zijn die covalente bindingen? De energie die tegenwoordig wordt gewonnen door de verbranding van steenkool en aardolieproducten vertegenwoordigt zonlichtenergie die ongeveer 300 miljoen jaar geleden door fotosynthese is opgevangen en opgeslagen.

Figuur 1. Photoautotrophs waaronder (a) planten, (b) algen en (c) cyanobacteriën synthetiseren hun organische verbindingen via fotosynthese met behulp van zonlicht als energiebron. Cyanobacteriën en planktonische algen kunnen over enorme oppervlakten in het water groeien en soms het oppervlak volledig bedekken. In een (d) diepzeeventilatie vangen chemoautotrofen, zoals deze (e) thermofiele bacteriën, energie op uit anorganische verbindingen om organische verbindingen te produceren. Het ecosysteem rond de ventilatieopeningen heeft een divers scala aan dieren, zoals buiswormen, schaaldieren en octopussen die energie ontlenen aan de bacteriën. (credit a: wijziging van werk door Steve Hillebrand, US Fish and Wildlife Service credit b: wijziging van werk door “eutrophication&hypoxia'8221/Flickr credit c: wijziging van werk door NASA credit d: University of Washington, NOAA credit e: modificatie werk van Mark Amend, West Coast and Polar Regions Undersea Research Center, UAF, NOAA)

Figuur 2. De energie die door fotosynthese in koolhydraatmoleculen wordt opgeslagen, gaat door de voedselketen. Het roofdier dat deze herten opeet, krijgt een deel van de energie die voortkwam uit de fotosynthetische vegetatie die de herten consumeerden. (credit: wijziging van het werk door Steve VanRiper, U.S. Fish and Wildlife Service)

Planten, algen en een groep bacteriën die cyanobacteriën worden genoemd, zijn de enige organismen die in staat zijn tot fotosynthese (Figuur 1). Omdat ze licht gebruiken om hun eigen voedsel te maken, worden ze fotoautotrofen (letterlijk: “self-feeders met licht”). Andere organismen, zoals dieren, schimmels en de meeste andere bacteriën, worden genoemd heterotrofen (“other feeders”), omdat ze voor hun energiebehoeften afhankelijk zijn van de suikers die door fotosynthetische organismen worden geproduceerd. Een derde zeer interessante groep bacteriën synthetiseert suikers, niet door de energie van zonlicht te gebruiken, maar door energie te extraheren uit anorganische chemische verbindingen. chemoautotrofen.

Het belang van fotosynthese is niet alleen dat het de energie van zonlicht kan opvangen. Een hagedis die op een koude dag in de zon ligt, kan de energie van de zon gebruiken om op te warmen. Fotosynthese is van vitaal belang omdat het evolueerde als een manier om de energie in zonnestraling op te slaan (het deel van de “foto’8221) als hoogenergetische elektronen in de koolstof-koolstofbindingen van koolhydraatmoleculen (het deel van de “synthese’8221). Die koolhydraten zijn de energiebron die heterotrofen gebruiken om de synthese van ATP via ademhaling te stimuleren. Daarom drijft fotosynthese 99 procent van de ecosystemen van de aarde aan. Wanneer een toproofdier, zoals een wolf, op een hert jaagt (Figuur 2), bevindt de wolf zich aan het einde van een energiepad dat ging van kernreacties op het oppervlak van de zon, naar licht, naar fotosynthese, naar vegetatie, tot herten, en tenslotte tot wolf.

Leerdoelen

  • Identificeer de reactanten en producten van fotosynthese
  • Beschrijf de zichtbare en elektromagnetische spectrums van licht zoals ze van toepassing zijn op fotosynthese
  • Beschrijf de lichtafhankelijke reacties die plaatsvinden tijdens fotosynthese
  • Identificeer de lichtonafhankelijke reacties bij fotosynthese

Fotosynthese is een meerstappenproces dat zonlicht, koolstofdioxide (dat weinig energie bevat) en water als substraat vereist (Figuur 3). Nadat het proces is voltooid, geeft het zuurstof af en produceert het glyceraldehyde-3-fosfaat (GA3P), eenvoudige koolhydraatmoleculen (die veel energie bevatten) die vervolgens kunnen worden omgezet in glucose, sucrose of een van de tientallen andere suikermoleculen. Deze suikermoleculen bevatten energie en de geactiveerde koolstof die alle levende wezens nodig hebben om te overleven.

Afbeelding 3. Fotosynthese maakt gebruik van zonne-energie, kooldioxide en water om energiebesparende koolhydraten te produceren. Zuurstof wordt gegenereerd als een afvalproduct van fotosynthese.

Het volgende is de chemische vergelijking voor fotosynthese (Figuur 4):

Figuur 4. De basisvergelijking voor fotosynthese is bedrieglijk eenvoudig. In werkelijkheid vindt het proces plaats in veel stappen met tussenliggende reactanten en producten. Glucose, de primaire energiebron in cellen, is gemaakt van twee drie-koolstof GA3P's.

Hoewel de vergelijking er eenvoudig uitziet, zijn de vele stappen die plaatsvinden tijdens fotosynthese eigenlijk behoorlijk complex. Voordat u de details leert over hoe foto-autotrofen zonlicht in voedsel veranderen, is het belangrijk om vertrouwd te raken met de betrokken structuren.

Bij planten vindt fotosynthese doorgaans plaats in bladeren, die uit meerdere cellagen bestaan. Het proces van fotosynthese vindt plaats in een middelste laag, de mesofyl. De gasuitwisseling van koolstofdioxide en zuurstof vindt plaats via kleine, gereguleerde openingen, genaamd huidmondjes (enkelvoud: stoma), die ook een rol spelen bij de regulatie van gasuitwisseling en waterbalans. De huidmondjes bevinden zich meestal aan de onderkant van het blad, wat helpt om waterverlies te minimaliseren. Elke stoma wordt geflankeerd door wachtcellen die het openen en sluiten van de huidmondjes reguleren door te zwellen of te krimpen als reactie op osmotische veranderingen.

Bij alle autotrofe eukaryoten vindt fotosynthese plaats in een organel genaamd a chloroplast. Voor planten bestaan ​​chloroplastbevattende cellen in het mesofyl. Chloroplasten hebben een dubbele membraanomhulling (samengesteld uit een buitenmembraan en een binnenmembraan). Binnen de chloroplast zijn gestapelde, schijfvormige structuren genaamd thylakoïden. Ingebed in het thylakoïde membraan is chlorofyl, a pigment (molecuul dat licht absorbeert) dat verantwoordelijk is voor de initiële interactie tussen licht en plantaardig materiaal, en talrijke eiwitten die de elektronentransportketen vormen. Het thylakoïde membraan omsluit een interne ruimte genaamd de thylakoïde lumen. Zoals weergegeven in figuur 5, wordt een stapel thylakoïden a . genoemd granum, en de met vloeistof gevulde ruimte rond het granulaat heet stroma of “bed” (niet te verwarren met stoma of “mouth,” een opening op de bladepidermis).

Oefenvraag

Figuur 5. Fotosynthese vindt plaats in chloroplasten, die een buitenmembraan en een binnenmembraan hebben. Stapels thylakoïden genaamd grana vormen een derde membraanlaag.

Op een warme, droge dag sluiten planten hun huidmondjes om water te besparen. Welke impact heeft dit op de fotosynthese?


Fotosynthese

Fotosynthese is het proces waarbij planten voedsel maken. Zonder dit zou het leven op aarde moeite hebben om te overleven, omdat het de basis vormt van de meeste voedselketens en de zuurstof levert die we inademen. Het gebeurt in twee, vrij complexe, fasen waarvan je (helaas) alles moet weten: de lichtafhankelijke en lichtonafhankelijke reacties.

Algemene reactie

Fotosynthese combineert kooldioxide met water vormen glucose en zuurstof. De glucose wordt gebruikt bij de ademhaling om energie te produceren, terwijl de zuurstof door de huidmondjes uit de plant wordt vrijgegeven.

Chloroplast structuur

Fotosynthese neemt in de chloroplasten van plantencellen. Chloroplasten bevatten met vloeistof gevulde zakjes die thylakoïden. Thylakoïden worden opgestapeld als pannenkoeken om structuren te vormen die we noemen grana. Elke granum is met elkaar verbonden door stukjes thylakoïde membraan genaamd lamellen. De gelachtige substantie die de thylakoïden omringt, wordt de genoemd stroma.

De thylakoïden in de chloroplast zorgen voor een groot oppervlak om zoveel mogelijk licht te absorberen. Binnen het thylakoïde membraan bevinden zich fotosystemen die bestaan ​​uit pigmentmoleculen die aan eiwitten zijn bevestigd. Het pigment geeft planten hun kleur en bevat chlorofyl a, chlorofyl b en caroteen. Planten bevatten twee fotosystemen, genaamd fotosysteem I en fotosysteem II. PSI absorbeert licht met een golflengte van 700 nm, terwijl PSII licht absorbeert met een golflengte van 680 nm.

Het totale proces van fotosynthese kan in twee fasen worden opgesplitst: de eerste fase staat bekend als de lichtafhankelijke reactie en (niet verwonderlijk) heeft licht nodig om op gang te komen. De tweede heet de lichtonafhankelijke reactie die geen licht nodig heeft, maar wel de producten die in de eerste fase zijn gegenereerd.

Lichtafhankelijke Reactie (LDR)

De LDR vindt plaats in de thylakoïde membranen van de chloroplasten. Het vindt plaats in de volgende fasen:

Lichtenergie wordt geabsorbeerd door PSII (hoewel PSII er eerder bij betrokken was dan PSI, werd het later ontdekt - vandaar het verwarrende naamgevingssysteem). Licht wekt elektronen op binnen PSII en zorgt ervoor dat ze verhuizen naar een hogere energietoestand:. De elektronen worden doorgegeven aan een reeks elektronendragers binnen de elektronentransportketen tot PSI.

De elektronen die verloren zijn gegaan door PSII moeten worden vervangen. Dit gebeurt via de fotolyse van water - lichtenergie zorgt ervoor dat een watermolecuul uit elkaar splijt en waterstofionen, elektronen en zuurstof vrijgeeft. De elektronen uit water vervangen de elektronen die verloren zijn gegaan door PSII.

Terwijl de elektronen langs de elektronentransportketen bewegen, ga van hoge naar lage energie. De energie die verloren gaat door de elektronen wordt gebruikt om pomp waterstofionen van het stroma naar de thylakoïden. Dit genereert een proton gradiënt over het thylakoïde membraan.

Protonen stromen via hun concentratiegradiënt door ATP-synthase. De energie van de beweging van protonen wordt gebruikt om fosforyleren van ADP tot ATP (fotofosforylering) in een proces genaamd chemomose.

Licht wordt geabsorbeerd door PSI waardoor een ander elektron wordt geëxciteerd en langs de rest van de elektronentransportketen wordt geleid.

De elektron wordt doorgegeven aan NADP vormen verminderde NADP (NADPH). NADPH is een elektronendrager die elektronen van het ene molecuul naar het andere overdraagt.

De ATP en verminderde NADP verhuizen naar de stroma voor de volgende fase van fotosynthese, de lichtonafhankelijke reactie.

Dit proces staat bekend als: niet-cyclische fotofosforylering. Er is een ander proces genaamd cyclische fotofosforylering, waarin elektronen herhaaldelijk door PSI fietsen. Elektronen verlaten PSI, maar in plaats van door NADP te worden geaccepteerd, stromen ze terug door de keten naar de eerste elektronenacceptor. Dit betekent dat ATP wordt geproduceerd maar geen NADPH en kan gebeuren wanneer NAPDH in overvloed aanwezig is. Cyclische fotofosforylering komt vaker voor bij planten met bijzonder hoge ATP-behoeften en kan overmatige lichtschadelijke fotosynthetische eiwitten voorkomen.

De lichtonafhankelijke reacties (ook bekend als de Calvin-cyclus)

De Calvincyclus vindt plaats in de stroma van de chloroplast en gebruikt de producten van de LDR (ATP en gereduceerd NADP) om glucose te vormen. De reacties die plaatsvinden kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdfasen: Koolstoffixatie, vermindering en regeneratie.

Koolstoffixatie

Kooldioxide wordt 'gefixeerd' door het toe te voegen aan een 5-koolstofmolecuul genaamd ribulose bisfosfaat (RuBP), vormen een 6-koolstofmolecuul. Deze reactie wordt gekatalyseerd door een enzym genaamd Rubisco.

Het 6C-molecuul is onstabiel en breekt onmiddellijk af om twee 3-koolstofverbindingen te vormen, genaamd glyceraat-3-fosfaat (huisarts).

Er treedt een isomerisatiereactie op die GP omzet in een andere 3-koolstofverbinding genaamd glyceraldehyde-3-fosfaat (GALP). GALP is ook bekend als triose fosfaat (TP). Deze reactie kost energie dus ATP (van de lichtafhankelijke reactie) wordt gehydrolyseerd tot ADP.

Deze reactie vereist ook elektronen van de elektronendrager gereduceerde NADP (ook van de LDR). Gereduceerde NADP draagt ​​elektronen over naar GP en reduceert het tot GALP.

Sommige GALP is omgezet in organische moleculen, zoals glucose, maar sommige zullen worden gebruikt om regenereren RuBP. Voor elke 6 GALP-moleculen wordt 1 gebruikt om organische moleculen te produceren, terwijl 5 zal worden gebruikt voor RuBP-regeneratie.

regeneratie

GALP is weer omgezet in RuBP - dit proces vereist energie die wordt opgewekt door ATP hydrolyse.

De cyclus is voltooid en een nieuwe ronde van koolstoffixatie kan plaatsvinden.


18.7C: Zuurstoffotosynthese: lichtonafhankelijke reacties - biologie

A. Twee wegen
1. Twee elektronenroutes werken in het thylakoïdemembraan: de niet-cyclische route en de cyclische route.
2. Beide routes produceren ATP, maar alleen de niet-cyclische route produceert ook NADPH.
3. ATP-productie tijdens fotosynthese wordt soms fotofosforylering genoemd, daarom zijn deze routes ook bekend als cyclische en niet-cyclische fotofosforylering.

B. Niet-cyclisch elektronentraject (*SPPLIT WATER, PRODUCEERT NADPH & amp ATP)

1. Deze route vindt plaats in de thylakoïde membranen en vereist deelname van twee lichtverzamelende eenheden: fotosysteem I (PS I) en fotosysteem II (PS II).
2. Een fotosysteem is een fotosynthetische eenheid bestaande uit een pigmentcomplex en elektronenacceptor zonne-energie wordt geabsorbeerd en hoogenergetische elektronen worden gegenereerd.
3. Elk fotosysteem heeft een pigmentcomplex dat bestaat uit groene chlorofyl a- en chlorofyl b-moleculen en oranje en gele hulppigmenten (bijv. carotenoïde pigmenten).
4. Geabsorbeerde energie wordt doorgegeven van het ene pigmentmolecuul naar het andere totdat het geconcentreerd is in chlorofyl a van het reactiecentrum.
5. Elektronen in het reactiecentrum chlorofyl a worden opgewonden en ontsnappen naar het elektronenacceptormolecuul.
6. De niet-cyclische route begint met PSII-elektronen die van H2O via PS II naar PS I gaan en vervolgens naar NADP+.
7. Het PS II-pigmentcomplex absorbeert zonne-energie. Hoogenergetische elektronen (e-) verlaten het reactiecentrum chlorofyl een molecuul.
8. PS II neemt vervangende elektronen van H2O, dat splitst, waarbij O2- en H+-ionen vrijkomen:
9. Zuurstof komt vrij als zuurstofgas (O2).
10. De H+-ionen blijven tijdelijk in de thylakoïde ruimte en dragen bij aan een H+-ionengradiënt.
11. Terwijl H+ langs de elektrochemische gradiënt door ATP-synthasecomplexen stroomt, treedt chemiosmosis op.
12. Laagenergetische elektronen die het elektronentransportsysteem verlaten, gaan PS I binnen.
13. Wanneer het PS I-pigmentcomplex zonne-energie absorbeert, verlaten hoogenergetische elektronen chlorofyl a van het reactiecentrum en worden ze opgevangen door een elektronenacceptor.
14. De elektronenacceptor geeft ze door aan NADP+.
15. NADP+ krijgt een H+ om NADPH te worden: NADP+ + 2 e- + H+ NADPH.
16. NADPH en ATP geproduceerd door niet-cyclische stroomelektronen in het thylakoïdemembraan worden gebruikt door enzymen in stroma tijdens lichtonafhankelijke reacties.

C. Cyclische elektronenroute
1. De cyclische elektronenroute begint wanneer het PS I-antennecomplex zonne-energie absorbeert.
2. Hoogenergetische elektronen verlaten het PS I-reactiecentrum chlorofyl een molecuul.
3. Voordat ze terugkeren, komen de elektronen een elektronentransportsysteem binnen en reizen ze door een elektronentransportsysteem.

A. Elektronen gaan van een hoger naar een lager energieniveau.
B. Vrijkomende energie wordt opgeslagen in de vorm van een waterstof (H+) gradiënt.
C. Wanneer waterstofionen langs hun elektrochemische gradiënt door ATP-synthasecomplexen stromen, vindt ATP-productie plaats.
NS. Omdat de elektronen terugkeren naar PSI in plaats van verder te gaan naar NADP+, wordt het daarom cyclisch genoemd en ook waarom er geen NADPH wordt geproduceerd.

D. ATP-productie (chemiosmosis)
1. De thylakoïde ruimte fungeert als een reservoir voor H+-ionen, elke keer dat H2O wordt gesplitst, blijven er twee H+ over.
2. Elektronen verplaatsen drager naar drager en geven energie op die wordt gebruikt om H+ van het stroma naar de thylakoïde ruimte te pompen.
3. Stroom van H+ van hoge naar lage concentratie door het thylakoïde membraan levert energie om ATP te produceren uit ADP + P met behulp van een ATP-synthase-enzym

**Dit is een goed moment om naar de verschillende animaties van deze processen te kijken. De truc is om ze te VISUALISEREN*


Hoe de fotosystemen werken

Lichtabsorptie door pigmenten

Fotosynthese begint met de absorptie van licht door pigmentmoleculen die zich in het thylakoïde membraan bevinden. De bekendste hiervan is chlorofyl, maar er zijn ook carotenoïden en, in cyanobacteriën en sommige algen, bilinen. Deze pigmenten hebben allemaal gemeen binnen hun chemische structuur een afwisselende reeks van enkele en dubbele koolstofbindingen, die een geconjugeerd systeem π𠄾lektronensysteem vormen (Figuur 6).

De chemische structuren van de chlorofyl en carotenoïde pigmenten die aanwezig zijn in het thylakoïde membraan. Let op de aanwezigheid in elk van een geconjugeerd systeem van dubbele koolstofbindingen die verantwoordelijk zijn voor lichtabsorptie.

De verscheidenheid aan pigmenten die aanwezig zijn in elk type fotosynthetisch organisme weerspiegelt de lichte omgeving waarin het leeft planten op het land bevatten chlorofylen een en B en carotenoïden zoals -caroteen, luteïne, zeaxanthine, violaxanthine, antheraxanthine en neoxanthine (Figuur 6). De chlorofylen absorberen blauw en rood licht en lijken dus groen van kleur, terwijl carotenoïden alleen licht absorberen in het blauw en dus geel/rood lijken (Figuur 7), kleuren die duidelijker zijn in de herfst, aangezien chlorofyl het eerste pigment is dat wordt afgebroken in rottende bladeren.

Chlorofylen absorberen lichtenergie in het rode en blauwe deel van het zichtbare spectrum, terwijl carotenoïden alleen licht absorberen in het blauw/groen.

Licht, of elektromagnetische straling, heeft de eigenschappen van zowel een golf als een stroom deeltjes (lichtquanta). Elk lichtkwantum bevat een discrete hoeveelheid energie die kan worden berekend door de constante van Planck te vermenigvuldigen, H (6.626휐 � J·s) door ν, de frequentie van de straling in cycli per seconde (s 𢄡 ):

De frequentie (ν) van het licht en dus de energie ervan varieert met de kleur, dus blauwe fotonen (� nm) zijn energieker dan rode fotonen (� nm). De frequentie (ν) en golflengte (λ) van licht zijn gerelateerd aan:

waar C is de lichtsnelheid (3,0휐 8 m·s 𢄡 ), en de energie van een bepaalde golflengte (λ) van licht wordt gegeven door:

Dus 1 mol van 680 nm fotonen van rood licht heeft een energie van 176 kJ·mol 𢄡 .

De elektronen in het gedelokaliseerde π-systeem van het pigment hebben het vermogen om omhoog te springen van de laagste bezette moleculaire orbitaal (grondtoestand) naar hogere onbezette moleculaire elektronenorbitalen (geëxciteerde toestanden) via de absorptie van specifieke golflengten van licht in het zichtbare bereik (400� nm). Chlorofyl heeft twee aangeslagen toestanden die bekend staan ​​als S1 en S2 en, na interactie van het molecuul met een foton van licht, wordt een van zijn π elektronen gepromoot vanuit de grondtoestand (S0) naar een aangeslagen toestand, een proces dat slechts 10 � s duurt (Figuur 8). De energiekloof tussen de S0 en S1 toestanden wordt overspannen door de energie geleverd door een rood foton (�� nm), terwijl de energiekloof tussen de S0 en S2 toestanden is groter en vereist daarom een ​​meer energetisch (kortere golflengte, hogere frequentie) blauw foton (�� nm) om de energiekloof te overbruggen.

Fotonen met licht verschillende energieën (kleuren) prikkelen elk van de vibrationele substaten van elke aangeslagen toestand (zoals blijkt uit variatie in de grootte en kleur van de pijlen).

Bij excitatie wordt het elektron in de S2 toestand ondergaat snel energieverliezen als warmte door moleculaire trillingen en ondergaat omzetting in de energie van de S1 staat door een proces dat interne conversie wordt genoemd. Interne conversie vindt plaats op een tijdschaal van 10 � s. De energie van een blauw foton wordt dus snel afgebroken tot die van een rood foton. Excitatie van het molecuul met een rood foton zou leiden tot bevordering van een elektron naar de S1 direct staat. Zodra het elektron zich in de S . bevindt1 staat, is het minder energie en dus stabiel op een wat langere tijdschaal (10 𢄩 s). De energie van het aangeslagen elektron in de S1 staat kan een van verschillende lotgevallen hebben: het kan terugkeren naar de grondtoestand (S0) door emissie van de energie als een foton van licht (fluorescentie), of het kan als warmte verloren gaan door interne conversie tussen S1 en S0. Als alternatief, als een ander chlorofyl in de buurt is, kan een proces dat bekend staat als excitatie-energieoverdracht (EET) resulteren in de niet-stralingsuitwisseling van energie tussen de twee moleculen (Figuur 9). Om dit te laten gebeuren, moeten de twee chlorofylen zich dicht bij elkaar bevinden (χ nm), een specifieke oriëntatie ten opzichte van elkaar hebben en energieën van aangeslagen toestanden die elkaar overlappen (resoneren). Als aan deze voorwaarden wordt voldaan, wordt de energie uitgewisseld, wat resulteert in een spiegel S0→S1 overgang in het acceptormolecuul en een S1→S0 overgang in de andere.

Twee chlorofylmoleculen met resonante S1 toestanden ondergaan een spiegelovergang wat resulteert in de niet-stralingsoverdracht van excitatie-energie daartussen.

Lichtoogstcomplexen

In fotosynthetische systemen worden chlorofylen en carotenoïden gevonden bevestigd aan membraan-ingebedde eiwitten die bekend staan ​​als light-harvesting complexs (LHC's). Door zorgvuldige binding en oriëntatie van de pigmentmoleculen kan geabsorbeerde energie door EET tussen hen worden overgedragen. Elk pigment is aan het eiwit gebonden door een reeks niet-covalente bindingsinteracties (zoals waterstofbruggen, van der Waals-interacties, hydrofobe interactie en coördinatiebindingen tussen lone pair-elektronen van residuen zoals histidine in het eiwit en de Mg 2+ ion in chlorofyl) de eiwitstructuur is zodanig dat elk gebonden pigment een iets andere omgeving ervaart in termen van de omringende aminozuurzijketens, lipiden, enz., wat betekent dat de S1 en S2 energieniveaus zijn in energie verschoven ten opzichte van die van andere naburige pigmentmoleculen. Het effect is het creëren van een reeks pigmentenergieën die werken om de energie door EET naar de pigmenten met de laagste energie in de LHC te sturen.

Reactiecentra

Een fotosysteem bestaat uit talloze LHC's die een antenne vormen van honderden pigmentmoleculen. De antennepigmenten werken om excitatie-energie te verzamelen en te concentreren en deze over te dragen naar een speciaal paar chlorofylmoleculen die zich in het reactiecentrum (RC) bevinden (Figuur 10). In tegenstelling tot de antennepigmenten is het speciale paar chlorofylen ‘redox-actief’ in die zin dat ze kunnen terugkeren naar de grondtoestand (S0) door de overdracht van het elektron dat zich in de S . bevindt1 aangeslagen toestand (Chl*) naar een andere soort. Dit proces staat bekend als ladingsscheiding en resulteert in de vorming van een geoxideerd speciaal paar (Chl+) en een gereduceerde acceptor (A−). De acceptor in PSII is plastochinon en in PSI is het ferredoxine. Als de RC wil blijven functioneren, moet het elektronentekort op het speciale paar worden verholpen, in PSII is de elektronendonor water en in PSI is dat plastocyanine.

Lichtenergie wordt opgevangen door de antennepigmenten en overgebracht naar het speciale paar RC-chlorofylen die een redoxreactie ondergaan die leidt tot reductie van een acceptormolecuul. Het geoxideerde speciale paar wordt geregenereerd door een elektronendonor.

Het is de moeite waard om je af te vragen waarom fotosynthetische organismen de moeite nemen om een ​​grote antenne van pigmenten te hebben die een RC dienen in plaats van meer talrijke RC's. Het antwoord ligt in het feit dat het speciale paar chlorofylen alleen een vrij kleine ruimtelijke en spectrale doorsnede heeft, wat betekent dat er een limiet is aan de hoeveelheid licht die ze efficiënt kunnen absorberen. De hoeveelheid licht die ze praktisch kunnen absorberen is ongeveer twee ordes van grootte kleiner dan hun maximaal mogelijke omloopsnelheid. LHC's werken dus om de ruimtelijke (honderden pigmenten) en spectrale (verschillende soorten pigmenten met verschillende lichtabsorptie-eigenschappen) kruislings te vergroten. deel van het speciale RC-paar dat ervoor zorgt dat de omloopsnelheid veel dichter bij de capaciteit ligt.

Fotosysteem II

PSII is een door licht aangedreven waterplastochinonoxidoreductase en is het enige enzym in de natuur dat in staat is om de moeilijke chemie van het splitsen van water in protonen, elektronen en zuurstof uit te voeren (Figuur 11). Water is in principe een extreem slechte elektronendonor, aangezien de redoxpotentiaal van het zuurstofkoppel van water +820 mV is. PSII gebruikt lichtenergie om een ​​speciaal paar chlorofylen op te wekken, bekend als P680 vanwege hun 680 nm absorptiepiek in het rode deel van het spectrum. P680* ondergaat ladingsscheiding die resulteert in de vorming van een extreem oxiderende soort P680+ die een redoxpotentiaal heeft van +1200 mV, voldoende om water te oxideren. Desalniettemin, aangezien watersplitsing vier elektronenchemie omvat en ladingsscheiding slechts overdracht van één elektron omvat, zijn vier afzonderlijke ladingsscheidingen (omzet van PSII) vereist om de vorming van één O-molecuul te stimuleren2 uit twee moleculen water. De initiële elektronendonatie om de P680 uit P680+ te genereren, wordt daarom geleverd door een cluster van mangaanionen binnen het zuurstof-evoluerende complex (OEC), dat is bevestigd aan de lumenzijde van PSII (Figuur 12). Mangaan is een overgangsmetaal dat kan voorkomen in een reeks oxidatietoestanden van +1 tot +5 en dus de positieve ladingen accumuleert die zijn afgeleid van elke door licht aangedreven omzet van P680. Progressieve extractie van elektronen uit het mangaancluster wordt aangedreven door de oxidatie van P680 in PSII door licht en staat bekend als de S-toestandscyclus (Figuur 12). After the fourth turnover of P680, sufficient positive charge is built up in the manganese cluster to permit the splitting of water into electrons, which regenerate the original state of the manganese cluster, protons, which are released into the lumen and contribute to the proton gradient used for ATP synthesis, and the by-product O2. Thus charge separation at P680 provides the thermodynamic driving force, whereas the manganese cluster acts as a catalyst for the water-splitting reaction.

The organization of PSII and its light-harvesting antenna. Protein is shown in grey, with chlorophylls in green and carotenoids in orange. Drawn from PDB code 3JCU

Progressive extraction of electrons from the manganese cluster is driven by the oxidation of P680 within PSII by light. Each of the electrons given up by the cluster is eventually repaid at the S4 to S0 transition when molecular oxygen (O2) is formed. The protons extracted from water during the process are deposited into the lumen and contribute to the protonmotive force.

The electrons yielded by P680* following charge separation are not passed directly to plastoquinone, but rather via another acceptor called pheophytin, a porphyrin molecule lacking the central magnesium ion as in chlorophyll. Plastoquinone reduction to plastoquinol requires two electrons and thus two molecules of plastoquinol are formed per O2 molecule evolved by PSII. Two protons are also taken up upon formation of plastoquinol and these are derived from the stroma. PSII is found within the thylakoid membrane of plants as a dimeric RC complex surrounded by a peripheral antenna of six minor monomeric antenna LHC complexes and two to eight trimeric LHC complexes, which together form a PSII–LHCII supercomplex ( Figure 11 ).

Photosystem I

PSI is a light-driven plastocyanin�rredoxin oxidoreductase ( Figure 13 ). In PSI, the special pair of chlorophylls are known as P700 due to their 700 nm absorption peak in the red part of the spectrum. P700* is an extremely strong reductant that is able to reduce ferredoxin which has a redox potential of � mV (and is thus is, in principle, a poor electron acceptor). Reduced ferredoxin is then used to generate NADPH for the Calvin�nson cycle at a separate complex known as FNR. The electron from P700* is donated via another chlorophyll molecule and a bound quinone to a series of iron–sulfur clusters at the stromal side of the complex, whereupon the electron is donated to ferredoxin. The P700 species is regenerated form P700 + via donation of an electron from the soluble electron carrier protein plastocyanin.

The organization of PSI and its light-harvesting antenna. Protein is shown in grey, with chlorophylls in green and carotenoids in orange. Drawn from PDB code 4XK8.

PSI is found within the thylakoid membrane as a monomeric RC surrounded on one side by four LHC complexes known as LHCI. The PSI–LHCI supercomplex is found mainly in the unstacked regions of the thylakoid membrane ( Figure 13 ).


3.5.1 Photosynthesis (A-level only)

The light-dependent reaction in such detail as to show that:

  • chlorophyll absorbs light, leading to photoionisation of chlorophyll
  • some of the energy from electrons released during photoionisation is conserved in the production of ATP and reduced NADP
  • the production of ATP involves electron transfer associated with the transfer of electrons down the electron transfer chain and passage of protons across chloroplast membranes and is catalysed by ATP synthase embedded in these membranes (chemiosomotic theory)
  • photolysis of water produces protons, electrons and oxygen.

The light-independent reaction uses reduced NADP from the light-dependent reaction to form a simple sugar. The hydrolysis of ATP, also from the light-dependent reaction, provides the additional energy for this reaction.

The light-independent reaction in such detail as to show that:

  • carbon dioxide reacts with ribulose bisphosphate (RuBP) to form two molecules of glycerate 3-phosphate (GP). This reaction is catalysed by the enzyme rubisco
  • ATP and reduced NADP from the light-dependent reaction are used to reduce GP to triose phosphate
  • some of the triose phosphate is used to regenerate RuBP in the Calvin cycle
  • some of the triose phosphate is converted to useful organic substances.

Students should be able to:

  • identify environmental factors that limit the rate of photosynthesis
  • evaluate data relating to common agricultural practices used to overcome the effect of these limiting factors.

Students could devise and carry out experiments to investigate the effect of named environmental variables on the rate of photosynthesis using aquatic plants, algae or immobilised algal beads.

Required practical 7: Use of chromatography to investigate the pigments isolated from leaves of different plants, eg, leaves from shade-tolerant and shade-intolerant plants or leaves of different colours.

Required practical 8: Investigation into the effect of a named factor on the rate of dehydrogenase activity in extracts of chloroplasts.


Photosynthesis Reactions: Light Dependent Reactions, Chemiosmosis

Sugar is formed during light-independent reactions of photosynthesis by the reduction of CO2, utilizing ATP and NADH, the products of light-dependent reactions. Undoubtedly photosynthesis does not happen in the lack of CO2. About 10 percent of total photosynthesis is carried out by terrestrial plants, the rest occurs in oceans, lakes, and ponds.

Aquatic photosynthetic organisms use dissolved CO2, bicarbonates, and soluble carbonates that are present in water as carbon sources. Air includes about 0.03 – 0.04 percent CO2. Photosynthesis taking place on land utilizes this atmospheric CO2.

Stomata

Carbon dioxide gets in the leaves through stomata and gets dissolved in the water absorbed by the cell walls of mesophyll cells. Stomata are found in a great number in a leaf their number being proportional to the amount of gas diffusing into the leaf. Stomata cover only 1 – 2 percent of the leaf surface however they allow proportionately a lot more gas to diffuse.

The entry of CO2 into the leaves relies on the opening of stomata. The guard cells guarding the stoma, because of their peculiar structure and changes in their shape, regulate the opening and closing of stomata. Stomata are adjustable pores that are typically open throughout the day when CO2 is needed for photosynthesis and partly closed at night when photosynthesis stops.

Light – The driving energy of Photosynthesis

Light is a kind of energy called electromagnetic energy or radiations or packets of photons. Light acts as waves along with sort of particles called photons. The radiations most important to life are the visible light that ranges from about 380 to 750 nm in wavelength. It is the light energy that is taken in by chlorophyll, converted into chemical energy, and drives the photosynthetic process. Not all the light falling on the leaves is taken in. Just about one percent of the light falling on the leaf surface is absorbed, the rest is reflected back or transmitted.

Absorption spectrum for chlorophylls suggests that absorption is maximum in blue and red parts of the spectrum, two absorption peaks being at around 430 nm and 670 nm respectively. Absorption peaks of carotenoids are different from those of chlorophylls. Different wavelengths are not only differently absorbed by photosynthetic pigments however are likewise differently effective in photosynthesis.

Reactions of Photosynthesis

These reactions of photosynthesis include two parts:

  1. The light-dependent reactions (light reactions) which use light directly and
  2. The light-independent reactions (dark reactions) do not utilize light directly.
Light-dependent Reactions

(Energy-conversion phase formation of ATP and NADPH)

Light-dependent reactions make up that phase of photosynthesis during which light energy is absorbed by chlorophyll and other photosynthetic pigment molecules and converted into chemical energy. As a result of this energy conversion, reducing and assimilating power in the form of NADPH (NADPH + H + ) and ATP, are formed, both momentarily storing energy to be brought along with H + to the light-independent reactions.

The sunlight energy which is taken in by photosynthetic pigments drives the procedure of photosynthesis. Photosynthetic pigments are organized into clusters, called photosystems, for efficient absorption and utilization of solar energy in thylakoid membranes.

Each photosystem includes a light-gathering ‘antenna complex’ and a ‘reaction center’. The antenna complex has lots of molecules of chlorophyll a, chlorophyll b, and carotenoids, the majority of them funneling the energy to the reaction center. The reaction center has several molecules of chlorophyll an along with a primary electron acceptor, and associated electron carriers of ‘electron transport chain’(ETC).

Chlorophyll a molecules of reaction center and associated proteins are closely connected to the close-by electron transport system. The electron transport chain plays role in the generation of ATP by chemiosmosis (which is the second phase of light dependent reactions). Light energy absorbed by the pigment particles of the antenna complex is moved ultimately to the reaction center. There the light energy is converted into chemical energy.

Photosystems:

There are 2 photosystems, photosystem I (PS I) and photosystem II (PS II). These are called so in order of their discovery. Photosystem I have chlorophyll a molecule which takes in optimum light of 700 nm and is called P700, whereas the reaction center of photosystem II has P680, the form of chlorophyll a which takes in best the light of 680 nm.

A specialized molecule called primary electron acceptor is likewise associated nearby each reaction center. This acceptor traps the high energy electrons from the reaction center and then passes them on to the series of electron carriers. During this energy is utilized to create ATP by chemiosmosis.

In the predominant kind of electron transportation called non-cyclic electron flow, the electrons travel through the two photosystems. In a less typical kind of path called cyclic electron flow just photosystem I is involved. The development of ATP during non-cyclic electron flow is called non-cyclic phosphorylation while that throughout cyclic electron flow is called cyclic phosphorylation.

Non-cyclic Phosphorylation or Z scheme:

  1. When photosystem II absorbs light, an electron excited to a greater energy level in the reaction center chlorophyll P680 is captured by the primary electron acceptor of PS II. The oxidized chlorophyll is now an extremely strong oxidizing agent its electron “hole” needs to be filled.
  2. This hole is filled by the electrons which are drawn out, by an enzyme, from water. This reaction splits a water molecule into 2 hydrogen ions and an oxygen atom, which right away combines with another oxygen atom to form O2. This water-splitting reaction of photosynthesis that releases oxygen is called photolysis. The oxygen produced during photolysis is the primary source of the replenishment of environmental oxygen.
  3. Each photoexcited electron passes from the primary electron acceptor of photosystem II to photosystem I through an electron transport chain. This chain includes an electron carrier called plastoquinone (Pq), a complex of 2 cytochrome, and copper including a protein called plastocyanin (Pc).

  1. As electrons move down the chain, their energy goes on reducing and is utilized by the thylakoid membrane to produce ATP. This ATP synthesis is called photophosphorylation because it is driven by light energy. Specifically, ATP synthesis during non-cyclic electron low is called noncyclic photophosphorylation. This ATP created by the light reactions will supply chemical energy for the synthesis of sugar during the Calvin cycle, the second significant phase of photosynthesis.
  2. The electron reaches the “bottom” of the electron transportation chain and fills an electron “hole” in P700, the chlorophyll ‘a’ molecules in the reaction center of photosystem I. This hole is created when light energy is taken in by particles of P700 and drives an electron from P700 to the primary acceptor of photosystem I.
  3. The primary electron acceptor of photosystem I passes the photoexcited electrons to a 2nd electron transport chain, which transmits them to ferredoxin (Fd), an iron containing protein. An enzyme called NADP reductase then moves the electrons from Fd to NADP. This is the redox reaction that stores the high-energy electrons in NADPH. The NADPH molecule will supply reducing power for the synthesis of sugar in the Calvin cycle.

The path of electrons through the two photosystems throughout non-cyclic photophosphorylation is referred to as Z-scheme from its shape.

Chemiosmosis

In both cyclic and non-cyclic photophosphorylation, the mechanism for ATP synthesis is chemiosmosis, the process that utilizes membranes to couple redox reactions for ATP production. Electron transport chain pumps protons

(H + ) across the membrane of thylakoids in the case of photosynthesis into the thylakoids space. The energy utilized for this pumping comes from the electrons moving through the electron transport chain. This energy is transformed into prospective energy kept in the form of H + gradient throughout the membrane. Next, the hydrogen ions move down their gradient through special complexes called ATP synthase which is integrated into the thylakoid membrane. Throughout this diffusion of H +, the energy of electrons is used to make ATP.

Veel Gestelde Vragen

Q1: Difference between

Cyclic phosphorylationNon-cyclic phosphorylation
Only involves PSIInvolves both PSI and PS II
Happens when chloroplast lacks ATPAll the time in presence of light
Produce ATPProduce ATP, NADPH2, O2

Q2: What is chlorophyll a and b?

Chlorophyll a: C55H72O5N4Mg, blue-green in color

Chlorophyll b: C55H70O6N4Mg, yellow-green in color

Q3: What is the order of transfer of energy in photosynthetic pigments?

Carotenoids –> chlorophyll b –> chlorophyll a

Q4: Chlorophyll exists in how many forms?

Ans: chlorophyll exists in several forms.

Q5: Where the proton gradient develops in chemiosmosis?

Ans: Proton gradient develops across the thylakoid membrane and across inner mitochondrial membrane.


18.7C: Oxygenic Photosynthesis: Light-Independent Reactions - Biology


BIO 10
- Biology Lab Tuesday: 15:00 hours to 17:50 hours

Phenol Red Dye

This is a pH indicator. It measures the concentration of H+ ions present in the test sample (liquid). Water is considered neutral with a pH of 7.0. Any solution with a pH higher than 7.0 to 14.0 is considered alkaline (Basic or a base). Solutions with a pH less than 7.0 are said to be acidic.

Acid solution = yellow color

Neutral solution = orange-pink

Basic solution = dark pink

Carbon dioxide lowers the pH of water once it dissolves in it. This is because it forms a weak acid upon dissolving and that acid frees up H+ ions.

Carbon dioxide is used during photosynthesis

Photosynthesis needs light energy to drive the reaction.

Sunlight contains many wavelengths (colors) of light, some are better for photosynthesis than others.

Starch and other complex sugars (which are generated by the joining of simple sugars such as glucose formed by photosynthesis) form in the presence of appropriate enzymes

CO2 enters the plants mainly through the Stomata - the small opening on the underside of most leaves. For plants that live in water, the CO2 just dissolves in from the surrounding media.

Greasing the surface of a leaf will prevent the entry of CO2 and interrupt photosynthesis.

IN: Water, Carbon Dioxide, Light Energy

Light + CO2 + H2O __> (CH2O)n + O2.

A variegated leaf is a leaf with green and non-green parts. The green parts of the leaf photosynthesise because they contain chlorophyll.

Total absence of plastid pigments causes a sector of a leaf or stem to have white patches. This condition is termed variegation (Metrosideros). Variegation is produced when there is a cell mutation (cytological chimera), and all cells produced from that mutant mother cell lack the pigments, either because plastids are not present or the plastid cannot complete the manufacture of the pigment apparatus. White, therefore, is where color is missing. The zones where chloroplasts are not present are zones where no photosynthesis will occur, hence a variegated leaf has a lowered potential to fix carbon dioxide into sugars, and as a consequence, a variegated plant also tends to grow more slowly.

Variegated leaves occur rarely in nature but are extremely common among indoor and outdoor ornamentals, where they have been saved as horticultural oddities. Species with variegated individuals are sometimes found in the understory of tropical rain forest, and this habitat is the source of a number of variegated house plants. The appearance of variegation in the tropical forest understory, if not simply by accident, has not been given a plausible explanation.

Two types of chlorophyll are found in plants and the green algae.

* chlorophyll a and
* chlorophyll b

The difference in their structures is shown in the figure (red disks).

In the chloroplast, both types are associated with integral membrane proteins in the thylakoid membrane.

Both chlorophylls absorb light most strongly in the red and violet parts of the spectrum. Green light is absorbed poorly. Thus when white light shines on chlorophyll-containing structures like leaves, green light is transmitted and reflected and the structures appear green.

Carotenoids

Chloroplasts also contain carotenoids . These are also pigments with colors ranging from red to yellow.

Carotenoids absorb light most strongly in the blue portion of the spectrum. They thus enable the chloroplast to trap are larger fraction of the radiant energy falling on it.

Carotenoids are often the major pigments in flowers and fruits. The red of a ripe tomato and the orange of a carrot are produced by their carotenoids.

In leaves, the carotenoids are usually masked by the chlorophylls. In the autumn, as the quantity of chlorophyll in the leaf declines, the carotenoids become visible and produce the yellows and reds of autumn foliage.

Many animals use ingested beta-carotene as a precursor for the synthesis of vitamin A.

A spectroscope contains a diffraction grating that separates electromagnetic radiation into its component wavelengths. The spectroscope can be used to measure absorption or emission spectra.

Just as a geologist collects rocks or minerals and a botanist collects plants, an astronomer collects light. Astronomers usually cannot touch the objects they study, like stars or galaxies. But they can analyze the light these celestial objects radiate using a spectroscope. When an astronomer looks at a star through a spectroscope, he or she sees a colorful spectrum that is full of information.

Pigments move at different rates according to their ability to dissolve in the solvent. The pigment that dissolves the best moves up the paper the fastest.

The bacterium, Chlorobium tepidum, was originally isolated from a hot spring in New Zealand. It is a member of the green-sulfur bacterial group, so known because of the microbes' color and their dependence on sulfur compounds to carry out photosynthesis. Biologists say green-sulfur bacteria are important because they perform photosynthesis in a different way from that of other bacteria and that of plants.

For example, instead of the choloroplasts found in plants, green-sulfur bacteria have organelles called chlorosomes that help generate energy through an electron-transport chain in the microbe's cytoplasmic membrane. Inside the chlorosomes, the chlorophyll and carotenoid molecules that capture light differ from the molecules that other species use to perform photosynthesis. Also, green-sulfur bacteria carry out photosynthesis in the absence of oxygen and do not produce oxygen as a byproduct as plants do.

Excluding a few photosynthetic protists and cyanobacteria, plant cells are the only cells that contain chloroplasts. These organelles carry out the processes of photosynthesis, converting light energy into chemical energy and storing it as sugar. As well as producing food for ecosystems, photosynthesis releases oxygen molecules as byproducts, which replenish atmospheric oxygen used in cellular respiration and form a layer of ozone, O3, which shields the earth from solar ultraviolet rays.


Photosynthesis in algae and bacteria

Algae range from multicellular forms like kelp to microscopic, single-celled organisms. Although they are not as complex as land plants, photosynthesis takes place in the same way. Light is absorbed by chlorophyll, although various accessory pigments give them a wide variety of colors, located inside chloroplasts. All algae produce oxygen, and many are autotrophic. However, some are heterotrophic, relying on materials produced by other organisms.

Photosynthetic bacteria do not have chloroplasts. Instead, photosynthesis takes place directly within the cell. The cyanobacteria contain chlorophyll and oxygen, in the same way that chloroplasts do - in fact chloroplasts are now considered to have developed from them. The other photosynthetic bacteria have a variety of different pigments, called bacteriochlorophylls, and do not produce oxygen.


Photosynthetic Reaction

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Ted Talks Video: What is the relationship between photoysnthesis respiration?

Two Sets of Reactions in Photosynthesis (Light Reaction & Calvin Cycle)

1. Light reactions are the energy-capturing reactions, requires energy from the sun

A. Occurs in the thylakoid, water is split
B. ATP and NADPH are produced to power the Calvin Cycle
C. Oxygen is released

2. Calvin Cycle Reactions (Light Independent Reactions)

A. These reactions take place in the stroma can occur in either the light or the dark.
B. These are synthesis reactions that use NADPH and ATP (from the Light Reaction) to reduce CO2.
C. The end product is glucose which can be used by the plant

The Light Reactions occurs in two systems: Photosystem I and II - the creation of ATP is a complicated process

You will take a closer look at Photosystem I and Photosystem II in the Photosystem Coloring Worksheet

1. What is the purpose of the Calvin Cycle?

2. Where does the cell get its energy to perform these reactions?

3. What is the final product?

4. Why is carbon dioxide necessary?

Publisher: Biologycorner.com follow on Google+
/>This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 3.0 Unported License.

Next Generation Science Standards

HS-LS1-5 Use a model to illustrate how photosynthesis transforms light energy into stored chemical energy.

HS-LS1-6 Construct and revise an explanation based on evidence for how carbon, hydrogen, and oxygen from sugar molecules may combine with other elements to form amino acids and/or other large carbon-based molecules.

Enduring Understanding 2.A. Growth, reproduction and maintenance of the organization of living systems require free energy and matter

2.A.1: All living systems require constant input of free energy
2.A.2: Organisms capture and store free energy for use in biological processes
2.A.3: Organisms must exchange matter with the environment to grow, reproduce and maintain organization