Chemo- en fotosynthese V. Rasquin 13 de Vlaams Congres van Leraars Wetenschappen
Jan 30, 2016
Chemo- en fotosynthese
V. Rasquin 13de Vlaams Congres van Leraars Wetenschappen
• Zeer veel levensprocessen zijn endergonisch: ze vereisen energie
• ATP (adenosinetrifosfaat) is de universele energieleverancier
Hydrolyse van 1 mol ATP bij N.O. levert 30,6 kJ:
ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+
∆G° = - 30,6 kJ/mol
• ATP wordt niet gestockeerd in de cel en wordt naargelang de behoeften gesynthetiseerd.
• De energie die nodig is voor de synthese wordt gehaald uit de oxidatie van energierijke C-verbindingen, zoals glucose.
• Organismen, die deze energierijke verbindingen kunnen synthetiseren vertrekkend van eenvoudige anorganische verbindingen, zoals CO2 (koolstofbron) en H2O of H2S (waterstofbron), zijn AUTOTROOF.
• Organismen die dit niet kunnen,zijn HETEROTROOF.
• FOTOAUTOTROFEN halen de nodige energie voor de synthese van hun energierijke C-verbindingen uit LICHT. Zij doen aan FOTOSYNTHESE.
• CHEMOAUTOTROFEN halen de nodige energie uit de oxidatie van anorganische verbindingen zoals NH3, H2S of Fe2+.Zij doen aan CHEMOSYNTHESE. Het zijn allemaal prokaryoten.
Anatomie van een blad
De chloroplasten als fotosynthesecentra
De thylakoïdmembranen
granum
lamel
zetmeel
Electromagnetisch spectrum en zichtbaar licht
Gammastralen X-stralen UV
Infrarood & Microgolven Radiogolven
Golflengte (nm)
zichtbaar licht
Pigmenten in de thylakoïden absorberen een deel van het licht
LICHTweerkaatst licht
doorgelaten licht
geabsorbeerd licht
N
N
N
NFe
Heemgroep
symmetrisch systeem;
absorbeertblauw licht
Chlorophyllen
asymmetrisch systeem;
absorberenblauw en rood licht
N
N N
N
Mg
O
Absorptiespectra van fotosynthetische pigmenten
Bladeren zijn groenBladeren zijn groen
Overzicht van de fotosynthese
Cx(H2O)ysacharide
CO2
H2O
+
O2
lichtenergie
chloroplast
6 CO2 + 6 H2O + 48 h C6H12O6 + 6 O2
Go = -5398 kJ/mol Keq = 10942 !
De synthese van sachariden, vertrekkend van CO2 en water, stelt een enorm thermodynamisch probleem:
Fotosynthetiserende organismen kunnen lichtenergie efficiënt gebruiken om deze reactie te realiseren.
*Eén einstein is één mol fotonen. N = getal van Avogadro (6x1023); h = constante van Planck (6.63x10-34 J/s); = frequentie (s-1).
Go = +2480 kJ/mol Keq = 10-496
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
De energie van rood licht (700 nm) is E = Nh = 172 kJ/einstein*
lichtreacties Calvincyclus
DE LICHTREACTIES
• Omzetting van lichtenergie in chemische energie (ATP)
• Fotolyse van water, waarna energierijke elektronen worden overgedragen op NADP+, dat gereduceerd wordt tot NADPH
Globaal
• In de thylakoïdmembraan zijn de fotosynthetische pigmenten gegroepeerd in fotosystemen.
• Hiervan zijn er twee types: PSI en PSII;zij verschillen in samenstelling en zijn maximaal actief bij een verschillende golflengte van het geabsorbeerde licht.
PSII
PSII supercomplex
Lichtenergie wordt opgevangen door pigmenten in LHCII en razendsnel doorgestuurd via andere pigmentmoleculen naar de 2 reactieve chlorofyl a moleculen in het recatiecentrum ( de P680 moleculen)
Het LHC-II eiwit is een trimeer met 14 chlorofyllen en 3 carotenoïden per subeenheid
Chl-b
Chl-a
carotenoïde Z. Liu et al. Nature 428: 287 (2004)
Elektronentransport in PSII
OEC
lumen
stroma
OEC
Reductie van plastochinon
hydrofobe keten
Cyt b6f
Plastocyanine
Cu2+ Cu+e-
Plant-PSI is een monomeer
Lhca1
Lhca4Lhca2
Lhca3
P700
A. Amunts, O. Drory & N. Nelson, The structure of a plant Photosystem I supercomplex, Nature, 447, 58-63 (2007).
Elektronentransport in PSI
Reductie van NADP+
NADP+ NADPH
De reductie van NADP+ gebeurt door een hydride-ion (H-), afkomstig van 2 waterstofatomen, die vrijkomen bij de dehydrogenatie van de oxidator:
a) 2 H H- + H+
b) NADP+ + H- NADPH
ATP-synthase
Overzicht niet-cyclische fotofosforylering
Ligging van de componenten in de thylakoïdmembraan
ATP-synthase
PSII Cyt b6f PSI LHCII
Gestapelde membranen
Verhouding ATP/NADPH is gunstig niet-cyclische fotofosforylering
Extra ATP nodig cyclische fotofosforylering
DE CALVINCYCLUS
Tijdens deze reactiereeks, die doorgaat in de stroma van de chloroplast, wordt CO2 gereduceerd tot een sacharide. De energie die hiervoor nodig is wordt geleverd door ATP en de waterstof (inclusief e-) door NADPH.
ATP en NADPH zijn afkomstig van de lichtreacties.
Globale reactie voor de synthese van 1 mol glucose
Lichtreacties:
12 H2O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi + lichtenergie 6 O2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP + 18 H2O
Calvin:
6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ + 10 H2O 2 triosefosfaat + 18 ADP + 16 Pi + 12 NADP+
Cytosol:
2 triosefosfaat fructose 6-fosfaat + Pi
fructose 6-fosfaat glucose 6-fosfaat
Glucose 6-fosfaat + 2 H2O glucose + P i
GLOBAAL:
6 CO2 + 12 H2O + lichtenergie C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
C4-planten
C3-plant C4-plant
C4-planten
CAM-planten
NACHT
DAG
EINDE