Název školy:Gymnázium, Chomutov, Mostecká 3000, příspěvková organizace Autor: Datum tvorby: Mgr. Daniela Čapounová Název:VY_32_INOVACE_06C_20_Rozdělení organismů dle výživy, fotosyntéza Téma:BIOCHEMIE – Rozdělení organismů dle výživy, fotosyntéza Číslo projektu:CZ.1.07/1.5.00/

ANOTACE Materiál obsahuje výkladovou prezentaci k tématům „Typy výživy organismů“ a „Fotosyntéza“. Do výkladu jsou vloženy kontrolní otázky pro zpětnou vazbu učitele. V uzavřených položkách žáci zaškrtávají v nabídce odpovědí interaktivním perem, na otevřené položky odpovídají ústně. Na správné odpovědi se v prezentaci posuneme tlačítkem akcí. Je využito mezipředmětových vztahů s biologií (rostlinná buňka) a fyzikou (elektromagnetické záření). Použité zdroje (literární i webové) jsou uvedeny v seznamu citací na konci prezentace. Materiál je určen k interaktivní výuce chemie ve 4. ročníku čtyřletého gymnázia a v odpovídajících ročnících víceletých gymnázií.

1) ROZDĚLENÍ ORGANISMŮ PODLE ZPŮSOBU VÝŽIVY

-řec. trofé = výživa (→ trofika) -různá kritéria → organismy různých metabolických typů 1) dle formy přijímané E: -fototrofní – absorbují světelnou E → přeměňují na CHE (fotosyntéza) -chemotrofní –zdrojem E jsou ch.reakce (nejčastěji oxidace OL i AnL)

2) dle schopnosti syntetizovat OL: -autotrofní – syntetizují OL z AnL (nejčastěji z CO 2 ) -heterotrofní – nemohou syntetizovat OL → zisk z okolí (jako živiny), obvykle z těl jiných org. (zbytků)

3) dle zdroje vodíku (nutný pro redukční procesy): -lithotrofní – využívají vodík z AnL (lithos = řec. kámen) -organotrofní – zdrojem vodíku jsou OL Základní metabolické typy mohou být libovolně kombinovány: logicky: -autotrofové bývají lithotrofní -heterotrofové bývají organotrofní

v rámci jednoho organismu mohou být skupiny b. různých metab. typů -př.: -zelené b. rostlin – fotolithotrofní, autotrofní -kořenové b. – chemoorganotrofní (heterotrofní) Obr. 1

OTÁZKY 1) Některé druhy kvasinek jsou schopné získávat energii přeměnou glukózy na ethanol a oxid uhličitý. Zapište vzorce zúčastněných látek, pokuste se sestavit souhrnnou chemickou rovnici tohoto děje. Kvasinky zařaďte z hlediska typu výživy. PŘEJÍT NA SPRÁVNOU ODPOVĚĎ:

2) AUTOTROFNÍ METABOLISMUS - FOTOSYNTÉZA

Význam rostlin – opakování z biologie -primární producenti organické hmoty -producenti kyslíku -akumulátory sluneční E -zdroje mnoha přírodních látek → potraviny, stavební materiál, léčiva,… Obr. 2 Asi 90% přírodních látek je získáváno z rostlin

Odlišnosti anatomie rostlinné buňky: -buněčná stěna -vakuoly -plastidy -chromoplasty -leukoplasty -CHLOROPLASTY Chloroplasty v buňkách měříku Obr. 3

VÝZNAM FOTOSYNTÉZY: -jeden z nejstarších a nejvýzn. metab. dějů -1) zachycuje sluneční E → převádí na CHE (z CO 2 a H 2 O buduje org. hmotu pro výživu heterotrofů) -2) hlavní producent O 2 (význam pro aeroby) Kdo: -eukaryota – vyšší zelené rostliny, zelené + hnědé řasy -prokaryota – sinice, některé bakterie

-převod světelné E na CHE -převod oxidované formy C s nízkou E (CO 2 ) na redukovanou formu s vysokou E (glukóza) -silně endergonický děj -sluneční E zachycují fotoreceptory (chlorofyl) -redukční děj (H-atomy pocházejí z H 2 O) -formální opak dýchání historie: Joseph Priestley (1733 – 1804) -objevitel O 2, prokázal, že jej uvolňují rostliny a je nutný pro dýchání živočichů Obr. 4

Anoxygenní fotosyntéza -u nižších - evolučně původnější -donor H-atomů je H 2 S, H 2 nebo org.kyseliny (ne H 2 O) -→ není produkován O 2 -liší se účinností využívání E Oxygenní fotosyntéza -u vyšších -evolučně mladší -donor H-atomů je H 2 O -→ produkce O 2

F probíhá ve 2 oddělených, na sebe navazujících fázích: 1)SVĚTLÁ – fotochemický děj, převádí sluneční E na CHE = fotolýza vody 2)TEMNÁ – využívá CHE a redukovadlo (NADPH + H + ) vytvořené ve světlé fázi k redukci CO 2 na cukry Obr. 5

Lokalizace procesů fotosyntézy u eukaryot: -v chloroplastech -světlá fáze na membráně thylakoidů -tmavá fáze ve stromatu -u růz. druhů se liší velikostí, tvarem, počtem (1 – 100, v listech ø 20)

Substruktura choroplastu: Obr. 6 V chloroplastu je Asi 50 gran, každé z 15 – 60 lamel Mají vlastní kruhovou DNA (semiautonomní; endosymbiotický původ). Probíhá v nich biosyntéza fotoaktivních pig- mentů, enzymů, plastidové DNA a RNA.

FOTORECEPTORY: -chlorofyly a, b - hlavní -karotenoidy, xantofyly - doplňkové chlorofyl a se od chlorofylu b liší pouze substitucí –CH 3 (a) nebo –CHO (b) na místě * Obr. 7

Viditelná část spektra elektromagnetického záření – téměř se shoduje s fotosynteticky aktivním zářením Obr. 8

Absorpční spektrum chlorofylu a a b Obr. 9 Karotenoidy a xantofyly absorbují v této oblasti

Primární děje F = světlá fáze: -závisí na světle -probíhá v thylakoidech chloroplastů (na membráně) -přeměna světlené E na CHE → vzniká ATP a NADPH -významné pojmy: fotolýza vody, fotosystémy I, II, přenašeče Obr. 10

1) světelný rozklad = fotolýza vody: → vznikají: - H + (slouží k syntéze ATP) - e - (jdou do PS II pro regeneraci donoru e - ) - jako vedlejší produkt vzniká O 2

Obr. 11 Chlorofyl (v reakčním centru PS II, I) excitován fotonem - foton do centra PS prostřednictvím ANTÉNNÍHO KOMPLEXU MOLEKUL

-foton zachycen chlorofylem → excitace -reakce probíhají na 3 bílkovinných komplexech: -fotosystém II (PS II) -komplex cytochromů -fotosystém I (PS I) -ty jsou propojeny pohyblivými přenašeči e - -(schéma Z) Chlorofyl excitován fotonem → odevzdá e - na primární akceptor (CH má teď povahu kationtu – ihned přebere e - od donoru a vrátí se do zákl. stavu) Donor se regeneruje e - uvolněným fotolýzou vody (PSII) nebo ho přebere z plastocyaninu (u PSI)

Jak se e - dostane z reakčního centra PS a kam dál: -z excitovaného chlorofylu PSII → na akceptor v r. centru PS II→ z akceptoru na plastochinon (pQ) → dál na plastocyanin (pC) -→ z pC na PS I – zde regeneruje e - na donoru při excitaci dalšího chlorofylu -excitovaný e - z chlorofylu na akceptor v r. centru PS I → z něj na ferredoxin -→ z ferredoxinu na enzym NADP-reduktáza → ten katalyzuje přeměnu NADP + na NADPH -NADPH vstupuje do temné fáze F

Jak se tvoří ATP? - během přechodu excitovaných e - z vyšších do nižších hladin se E uvolňuje → syntéza ATP z ADP a anorganického P = FOTOFOSFORYLACE ADP + P → ATP anorganický fosfát reakci katalyzuje ATP-syntáza

Cyklická a necyklická fosforylace Obr. 12

Schéma primárních dějů fotosyntézy – lokalizace na membráně thylakoidů Obr. 13

Sekundární děje F = temná fáze = Calvinův cyklus: - ve stromatu chloroplastů -zde využity produkty světlé fáze – ATP (zdroj E), NADPH (redukční čin.) -CO 2 se redukuje na organickou látku Melvin Calvin (1911 – 1997) -objasnil sekundární procesy F – Nobel. Cena -studoval též chemickou evoluci života, radiochemii, rostlinné oleje atd. obr. 14

-CO 2 vázán na akceptor = = ribulosa-1,5-bisfosfát (enzym ribulosabisfosfátkarboxylasa = Rubisco) → 1. stabilní meziprodukt = = glyceraldehyd-3-fosfát (má 3 C-atomy → → proto Calv. cyklus nazýván též C 3 cyklus) → dalšími metab. drahami přeměňován na glukózu Obr. 15

Hatch – Slackův cyklus = C4 cyklus: akceptorem CO 2 je fosfoenolpyruvát -jako první stabilní vznikají čtyřuhlíkaté meziprodukty → z nich pak pyruvát (tříuhlíkatý) + CO 2 → ten pokračuje do Calvinova cyklu -C4 rostliny: -tropy, pouště -fixace CO 2 je účinná → rychlý růst (i při zavřených průduchách) Obr. 16

C4 cyklus využívají hlavně rostliny teplých oblastí, protože: -při zvýšené teplotě probíhá intenzivní fotorespirace (odpařování vody) a klesá účinnost fotosyntézy – tyto rostliny uzavírají průduchy -proto koncentrují CO 2 před jeho vstupem do Calvinova cyklu -mají proto přizpůsobenou vnitřní anatomii listu

CAM cyklus = modifikovaný C4 cyklus některých pouštních rostlin -šetří vodu tak, že otvírají průduchy a pohlcují CO 2 v noci, kdy je teplota nízká -CO 2 převádějí na C4 produkt (malát) skladovaný ve vakuolách -přes den malát přemění na C3 produkt (pyruvát) a CO 2 → ten vstupuje do Calvinova cyklu

OTÁZKY 2) Popište rozdíl mezi oxygenní a anoxygenní fotosyntézou, porovnejte jejich evoluční stáří. 3) Mezi fotosynteticky aktivní pigmenty nepatří: a. chlorofyly b. lykopen c. xanthofyly d. karotenoidy PŘEJÍT NA SPRÁVNOU ODPOVĚĎ:

OTÁZKY 4) Rozdělte procesy fotosyntézy a stručně je charakterizujte. 5) Elektron se přesunuje: a. z fotosystému I do fotosystému II b. z fotosystému II do fotosystému I c. pouze v rámci fotosystému I d. pouze v rámci fotosystému II PŘEJÍT NA SPRÁVNOU ODPOVĚĎ:

OTÁZKY 6) Vyberte správné tvrzení: a. světlá fáze probíhá v thylakoidech, temná ve stromatu chloroplastů b. světlá fáze probíhá ve stromatu, temná v thylakoidech chloroplastů c. světlá i temná fáze probíhají v thylakoidech chloroplastů d. světlá i temná fáze probíhají ve stromatu chloroplastů. PŘEJÍT NA SPRÁVNOU ODPOVĚĎ:

SPRÁVNÉ ODPOVĚDI: 1)Souhrnná rovnice alkoholového kvašení kvasinky alkoholového kvašení – heterotrofní (příjem OL z prostředí), chemoorganotrofní (E získávají přeměnou OL) ZPĚT NA ZADÁNÍ OTÁZKY PŘEJÍT NA DALŠÍ VÝKLAD

SPRÁVNÉ ODPOVĚDI: 2) Popište rozdíl mezi oxygenní a anoxygenní fotosyntézou, porovnejte jejich evoluční stáří. - anoxygenní – evolučně starší, nevzniká při ní kyslík, pouze organický produkt; oxygenní – mladší, vedle Glc vzniká i kyslík 3) Mezi fotosynteticky aktivní pigmenty nepatří: a. chlorofyly b. lykopen c. xanthofyly d. karotenoidy ZPĚT NA ZADÁNÍ OTÁZKY PŘEJÍT NA DALŠÍ OTÁZKY

SPRÁVNÉ ODPOVĚDI: 4) Rozdělte procesy fotosyntézy a stručně je charakterizujte. -Světlá fáze – závisí na světle, dochází k fotolýze vody – vznik H +, O 2, e - -Temná fáze – nezávisí na světle (ve dne i v noci) – vznik Glc za účasti CO 2 5) Elektron se přesunuje: a. z fotosystému I do fotosystému II b. z fotosystému II do fotosystému I c. pouze v rámci fotosystému I d. pouze v rámci fotosystému II ZPĚT NA ZADÁNÍ OTÁZKY PŘEJÍT NA DALŠÍ OTÁZKY

SPRÁVNÉ ODPOVĚDI: 6) Vyberte správné tvrzení: a. světlá fáze probíhá v thylakoidech, temná ve stromatu chloroplastů b. světlá fáze probíhá ve stromatu, temná v thylakoidech chloroplastů c. světlá i temná fáze probíhají v thylakoidech chloroplastů d. světlá i temná fáze probíhají ve stromatu chloroplastů. ZPĚT NA ZADÁNÍ OTÁZKY

POUŽITÉ OBRÁZKY: 1 - SZYX. commons.wikimedia.org [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: STÜBER, Kurt. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: PETERS, Kristian. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: Joseph Priestley Von Rembrandt Peale, commons.wikimedia.org [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: PAJAST. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: YIKRAZUUL. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: – graficky upraveno

8 - AUTOR NEUVEDEN. commons.wikimedia.org [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: – graficky upravenohttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectre_visible_light_el.svg 9 - JANOUŠEK, Jiří. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: JANOUŠEK, Jiří. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: JANOUŠEK, Jiří. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: – autor: RNDr. Lenka Hráčková – Gymnázium CV, použito se souhlasem autora 13 - JANOUŠEK, Jiří. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: AUTOR NEUVEDEN. commons.wikimedia.org [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: JANOUŠEK, Jiří. commons.wikimedia.org [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW:

LITERATURA: Karlson P.: Základy biochemie, Academia, Praha 1965 Šebánek J. A kol.: Fyziologie rostlin, Státní zemědělské nakladatelství, Praha 1983, 1. vydání L. Kincl a kol.; Biologie rostlin pro gymnázia: Fortuna, Praha, 2008, 4. vydání ROMANOVSKÝ, Alexej. Obecná biologie. Praha: SPN, 1988, ISBN Romanovský A. a kol.; Obecná biologie: SPN, Praha, 1988 ROSYPAL, Stanislav a kol. Přehled biologie. 2. vydání (1. vydání ve Scientia).Praha: Scientia, 1994, ISBN ZICHÁČEK, Vladimír; JELÍNEK, Jan. Biologie pro gymnázia. Olomouc: nakladatelství Olomouc, 1998, ISBN