Fotosyntéza

1. 2009 Fotosyntéza

2. Každá molekula kyslíku kterou právě dýcháme vznikla někdy v nějaké rostlině. Každý atom uhlíku našeho těla byl kdysi včleněn fotosyntézou do nějaké rostliny.

4. Zelené rostliny patří mezi autotrofy • = nekonzumují jiné organismy • V ekologickém smyslu jsou zelené rostliny producenti • Rostliny jsou fotoautotrofové

6. Člověk je heterotrof • = živí se částmi jiných organismů • = v ekologickém smyslu se jedná o konzumenty

7. Fotosyntéza = přeměna energie světla do chemické energie. Tato chemická energie je uchovávána ve formě glukózy nebo jiných organických látek • Fotosyntézu nacházíme u rostlin, řas a některých prokaryot

9. Biosféra II. • In the early nineties, Biosphere made headlines when eight 'bionauts' were sealed into the air-tight terrarium as part of a two-year experiment in self-sufficiency. The experiment was intended to determine whether and how humans could survive in constructed closed systems--potentially as a means of colonizing hostile environments, like space. • In practice, Biosphere had flaws that fatally wounded its research credibility. The terrarium continually lost atmospheric oxygen, requiring two injections of O2 over the duration of the experiment in order to keep it habitable to humans. A few crops did grow well inside the biosphere, including bananas and sweet potatoes, but the bionauts were unable to grow enough food to support their foraging and farming existence, and reported continual hunger. • A second Biosphere mission in 1994 fell prey to management disputes, ending when two of the bionauts deliberately sabotaged the project. • Since 1996, Biosphere 2 has essentially limped along as a semester-abroad program and, more recently, a tourist attraction.

10. Biosféra II. • In the early nineties, Biosphere made headlines when eight 'bionauts' were sealed into the air-tight terrarium as part of a two-year experiment in self-sufficiency. The experiment was intended to determine whether and how humans could survive in constructed closed systems--potentially as a means of colonizing hostile environments, like space. • In practice, Biosphere had flaws that fatally wounded its research credibility. The terrarium continually lost atmospheric oxygen, requiring two injections of O2 over the duration of the experiment in order to keep it habitable to humans. A few crops did grow well inside the biosphere, including bananas and sweet potatoes, but the bionauts were unable to grow enough food to support their foraging and farming existence, and reported continual hunger.

11. Biosféra II. • February 1, 1993— The development of a sustainable, highly productive (eight humans fed from one half acre or 0.2 hectare), and non-polluting agriculture system was already clearly one of the top achievements of Biosphere 2. It's chemical-free system recycles all human and domestic animal waste products and utilizes dozens of crop varieties to provide nutritional balance and allow for crop rotation. The crew had produced approximately 80% of their food. The other 20% was drawn from a three month supply of food that was grown inside the facility before the experiment began and from seed reserve. Improvements to be made to the system during transition will allow 100% to be produced • Since 1996, Biosphere 2 has essentially limped along as a semester-abroad program and, more recently, a tourist attraction.

12. Každý den dopadne na Zemi sluneční energie množstvím odpovídající miliónu „hirošimských“ atomových bomb • asi 1 % této energie je zachyceno v rámci fotosyntézy

13. Způsoby přijímání látek a energie Dvě kriteria • Zdroj energie Světlo nebo chemická • Zdroj uhlíku CO2 nebo organické látky

14. Způsoby přijímání látek a energie • Zdroj energie světlo = foto chemické látky = chemo • Zdroj uhlíku CO2 = auto organické látky = hetero

15. Chemoautotrofie • Zdroj energie chemické, anorganické látky. Oxidace síry nebo NH3 • Zdroj uhlíku CO2 • Např. sirné bakterie

16. Chemoheterotrofie • Zdroj energie Chemické, organické látky • Zdroj uhlíku organické látky • Např. živočichové, člověk, většina prvoků, většina fungi, většina bakterií

17. Fotoheterotrofie • Zdroj energie světlo • Zdroj uhlíku organické látky • velmi vzácně u bakterií

18. Fotoautotrofie • Zdroj energie světlo • Zdroj uhlíku CO2 • Např. rostliny, řasy, sinice

19. Van Helmontův experiment (1600) Van Helmont nesprávně uzavřel že rostlina roste pouze z vody.

20. Rostlina je „zakořeněna“ ve vzduchu podobně jako je zakořeněna v zemi

21. Listy jsou duté

22. U rostlin probíhá fotosyntéza v chloroplastech

24. „Průměrný“ list je tvořen 70 miliony buněk, ve kterých je asi 5 miliard chloroplastů. V každém chloroplastu je asi 600 milionů molekul chlorofylu, jejichž celkový počet v listu je asi 1018

25. Rostliny v průběhu fotosyntézy uvolňují kyslík. Ale pochází tento kyslík z štěpení CO2 nebo z štěpení vody? Experiment 1: CO2 + 2H2O CH2O + H2O + O2 Experiment 2: CO2 + 2H2O CH2O + H2O + O2 Červeně zbarvený kyslík symbolizuje izotop O18

26. Rovnice fotosyntézy Reaktanty: 6CO2 12 H2O Produkty: C6H12O6 6H2O 6O2

27. Fotosyntéza má dvě stadia • 1. Světelná fáze: zachycení světelné energie. Vytváří se ATP a NADPH a O2 • 2. Reakce nezávislá na světle(Calvinův cyklus): fixace uhlíku (CO2). Používá energii z ATP a NADPH k syntéze cukrů (C6H12O6)

28. Přehled fotosyntetických reakcí

29. Viditelné světlo má vlnovou délku 380 – 750 nanometrů

30. Vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma vrcholky vlny

31. Kolik energie je ve fotonu? • Vztah mezi energií a světlem objasnil Max Planck. Stanovil, že energie je přímo úměrná frekvenci fotonu • Kde h = Planckova konstanta (6,62606891.10-34 Joule-sekund ) • v = frekvence světla v Hertzích • Frekvence a vlnová délka světla jsou nepřímo úměrné • c = rychlost světla = 3. 1010 cm/s • Kombinací těchto vztahů můžeme vyjádřit energii jako funkci vlnové délky • Tato rovnice stanoví že částice s delší vlnovou délkou má méně energie a částice s kratší vlnovou délka má energie více. Foton modrého světla má tedy (asi dvakrát) vyšší energii než foton červeného světla.

32. NADH a NADPH se liší pouze v jedné fosfátové skupině NADH NADPH zde

33. Světlo může být listem odraženo, může být absorbováno nebo může projít skrze list

34. List absorbuje především modré a červené světlo, proto se nám jeví jako zelený

35. Absorpční spektrum

36. a. Absorpční spektrum chlorofylu a, chlorofylu b a karotenoidů b. akční spektrum. O něco širší akční spektrum je způsobeno dalšími pigmenty, které rozšiřují spektrum použitelné pro fotosyntézu.c. experiment, který 1883 provedl Thomas Engelman s aerobními bakteriemi a zelenou řasou

37. Chlorofyl a má „hlavu“, tvořenou porfyrinovým kruhem a atomem hořčíku uprostřed. K tomuto kruhu je připojen uhlovodíkový zbytek, který reaguje s hydrofobními oblastmi proteinů v tylakoidní membráně a tak chlorofyl zakotvuje.

38. Chlorofyl a je modrozelený, zatímco chlorofyl b je žlutozelený. Pouze chlorofyl a je schopen začít světelnou reakci. Pokud foton zachytí chlorofyl b, předá jej chlorofylu a.

39. Karotenoidy obstarávají fotoprotekci: absorbují nadbytečnou světelnou energii a tak chrání chlorofyl.

40. Absorpce fotonu způsobí excitaci elektronu ze základního do excitovaného stavu. Foton přemístí elektron na dráhu, kde má větší potenciální energii. Pokud se elektron z tohoto nestabilního stavu vrací zpět, rozdíl v energiích se vyrovná fluorescencí nebo teplem. Z tohoto důvodu v létě pálí např. střechy či dveře automobilů.

42. Fotosystém Fotosystém sestává z několika stovek molekul chlorofylu a, chlorofylu b, karotenoidů, proteinů a dalších organických molekul. Pouze jediná molekula chlorofylu a se nachází v tzv. reakčním centru, spojená s látkou zvanou primární elektronový akceptor.

43. Existují dva typy fotosystémů: fotosystém I (P700) a fotosystém II (P680). Čísla 700 a 680 označují vlnovou délku v nm, při které dochází k nejlepší absorbci světla v daném fotosystému. Čísla I a II se vztahují k historickému pořadí objevu těchto fotosystémů.

45. Ve fotosystému I (P700) a ve fotosystému II (P680) je ve skutečnosti tatáž molekula chlorofylu a. Malý rozdíl v absorbci je dán spojením těchto molekul s odlišnými proteiny v tylakoidní membráně.

46. Světelná fáze fotosyntézy • Necyklický elektronový tok Vzniká ATP a NADPH • Cyklický elektronový tok Vzniká pouze ATP

47. Necyklický elektronový tok

48. Necyklický elektronový tok • Když fotosystém II absorbuje foton, excitované elektrony jsou zachyceny primárním elektronovým akceptorem. Oxidovaná molekula chlorofylu se nyní stává velmi silným oxidačním činidlem; její elektronová „díra“ musí být zaplněna. • Enzymaticky se přenáší elektrony z vody na tuto molekulu chlorofylu. Takto je nahrazen každý excitovaný elektron. Atom kyslíku reaguje ihned s jiným atomem kyslíku na O2.

49. Necyklický elektronový tok 3. Každý fotoexcitovaný elektron přechází přes elektrontransportní řetězec z fotosystému II na fotosystém I. Tento řetězec je velmi podobný řetězci známému z celulární respirace. 4. Tímto způsobem se o tylakoidů pumpují protony a chemiosmózou vzniká přes ATP syntázy ATP. Tomuto procesu se říká necyklická fotofosforylace.

50. Necyklický elektronový tok Pokud je chloroplast osvětlený, v tylakoidech je pH = 5, zatímco ve stromatu je pH = 8, což činí tisícinásobný rozdíl v koncentraci. Pokud světlo vypneme, pH se vyrovná