F OTOSYNTÉZA Mgr. Jaroslav Najbert

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Název školy Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Adresa školy Sokolovská 1638 IČO Operační program Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Registrační číslo CZ.1.07/1.1.28/ Označení vzdělávacího materiálu K_INOVACE_1.CH.45 Vzdělávací oblast Člověk a příroda Vzdělávací obor Chemie Tematický okruh Metabolismus Zhotoveno Ročník Vyšší stupeň osmiletého gymnázia a čtyřleté gymnázium (RVP – G) Anotace Materiál je určen jako studijní v předmětu biochemie, který integruje vzdělávací obory biologie a chemie. Je zaměřen na charakteristiku fotosyntézy a na děje, které při ní probíhají. Předpokládá zvládnutí učiva reakčních mechanismů a redoxních dějů vzdělávacího oboru chemie.

Fotosyntéza Fotosyntéza – přeměna světelné energie (obvykle sluneční) na chemickou volnou energii, kterou lze využít k biosyntéze organických látek (primární procesy, světelná fáze) Anoxygenní fotosyntéza – aerobní a anaerobní – jako donor elektronů nevystupuje voda - bakterie Oxygenní fotosyntéza – donor elektronů voda – bakterie, červené řasy, zelené řasy a rostliny (zelené řasy 90%) Hlavní fotosyntetická barviva – chlorofyly, u halofilních bakterií karotenoid bakteriorodopsin Pomocná fotosyntetická barviva – karotenoidy – karoteny a xantofyly – fykobiliny – fykoerytrin, fykocyanin Fotosyntetické aparáty – bakterie tvoří z plasmatické membrány – oxygenní tvoří thylakoidní jako součást chloroplastů

Chloroplasty 1. vnější membrána2. mezimembránový prostor 3. vnitřní membrána (1+2+3: obálka)4. stroma (vodný roztok) 5. lumen (dutina) thylakoidu6. membrána thylakoidu 7. Granum (mincovitý shluk thylakoidů)8. lamela, stromální thylakoid 9. Škrob10. ribozom 11. DNA plastidu12. tukové kapénky Obr. 1

Fotosyntéza – obecná charakteristika 6CO H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O 6 CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e - Primární fáze – světelná – děje, spojené s fotolýzou vody, zahrnují děje ve fotosystému II, fotosystému I, cyklickou a necyklickou fosforylaci. Vede ke vzniku ATP a NADPH Sekundární fáze – temnostní – fixace a redukce CO 2 do organických sloučenin C 3 rostliny – akceptorem CO 2 ribulóza 1,5-bifosfát, první stabilní produkt 3-fosfoglycerát C 4 rostliny– akceptorem CO 2 fosfoenolpyruvát, konečným produktem malát CAM rostliny – příjem CO 2 a jeho zpracování časově odděleno, jinak jako C 4

Adsorpce světla Účinnost energetického přenosu z různých doplňkových pigmentů na chlorofyl a je od 20 do 100 %. Z karotenů se přenáší %, z fykoerytrinu a fykocyaninu 70 – 90 % absorbované energie Chlorofyly jsou v chloroplastu uspořádány do fotosyntetických jednotek -několik set molekul Při fotosyntéze zelených rostlin se využívá světelného zářeni jen v rozsahu nm vlnové délky označovaného jako FAR (fotosynteticky aktivní radiace) Rozhodujícím akceptorem energie je chlorofyl a K adsorpci světelného záření slouží fotosystém I a fotosystém II

Schéma fotosyntézy Fotolýza vody Fotosystém II Fotosystém I Akceptor Q Systém cytochromů b,f Plastochinon Ferredoxin Akceptor Z Systém cytochromů NADPH Redukce CO 2 ADP + P ATP Primární pochodySekundární pochody

Adsorpce světla – fotosystémy. Fotosystém I (P700) – adsorpce světelného záření pod 730 nm – tvořen převážně chlorofylem a Excitovaný elektron Přes ferredoxin na tvorbu NADPH podle rovnice NADP + + H + + 2e - NADPH. Protony z fotolýzy vody. Na komplex cytochromů, cyklickou fosforylací vznik ATP Fotosystém II (P680) – adsorpce světelného záření pod 700 nm – tvořen převážně fykobiliny a chlorofyly b, c, d, e Spřažen s fotolýzou vody (Hillova reakce)– doplňovány elektrony pro tvorbu NADPH přes fotosystém I Při transportu e - do fotosystému I část energie využita pro tvorbu ATP – necyklická fosforylace Cyklická fosforylace je spuštěna při poklesu koncentrace ATP. Udržuje tak poměr koncentrací ATP : NADPH na 3:2

Cyklická fosforylace Fotolýza vody Fotosystém II Fotosystém I Akceptor Q Systém cytochromů b,f Plastochinon Ferredoxin Akceptor Z Systém cytochromů NADPH Redukce CO 2 ADP + P ATP Primární pochodySekundární pochody

Necyklická fosforylace Fotolýza vody Fotosystém II Fotosystém I Akceptor Q Systém cytochromů b,f Plastochinon Ferredoxin Akceptor Z Systém cytochromů NADPH Redukce CO 2 ADP + P ATP Primární pochodySekundární pochody

Tvorba ATP Pro tvorbu ATP využit koncentrační gradient H +, který vzniká především fotolýzou vody. Je shodný se vznikem ATP v dýchacím řetězci Obr. 1

Sekundární fáze Děje, pro které není světlo nutnou podmínkou. Probíhají ve stromatu thylakoidů. Energie, uložena v primárních dějích do ATP a NADPH, využita k fixaci CO 2 do sacharidů 3 způsoby fixace C 3 rostliny – Calvinův cyklus C 4 rostliny – Hatch-Slackův cyklus CAM rostliny

C 3 rostliny CO 2 ATP ADP RuBisCo 3 ribuloza -1,5-bifosfát 3 CO fosfoglycerát 6ATP 6 glyceraldehyd-3- fosfát 3 ribuloza -1,5-bifosfát glukoneogeneze 3 ribuloza -5-fosfát 1 glyceraldehyd-3- fosfát 5 glyceraldehyd-3- fosfát 3ATP

Fotorespirace Enzym Rubisco ribulosa-1,5-bisfosfátkarboxyláza/oxygenáza CO 2 CO 2 + O 2 3-fosfoglycerát fosfoglykolát Při zabudování fosfoglykolátu do molekuly sacharidů 30% ztráty CO 2 – snížena účinnost fotosyntézy Rovnováha ovlivněna poměrem koncentrace CO 2 a O 2 a teplotou – vyšší teplota posouvá rovnováhu k tvorbě fosfoglykolátu V době vzniků fotosyntetických organismů bezproblémové – koncentrace CO 2 byla výrazně vyšší

C 4 rostliny Charakteristická anatomická stavba - mezofylové buňky (fixace CO 2 ), buňky pochvy cévního svazku (uvolnění CO 2 do Calvinova cyklu – fixace prostorově oddělena. Získán výhodnější poměr koncentrací CO 2 :O 2 pro RuBisCo V mezofylových buňkách chybí enzym RuBisCo – CO 2 fixován přes HCO 3 - fosfoenolpyruvátoxalacetát malát pyruvát CO 2 Calvinův cyklus CO 2 HCO 3 - P-P- NADPH NADP+ NADPH ATP AMP

CAM rostliny noc den fosfoenolpyruvát malát pyruvát škrob CO 2 Calvinův cyklus

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Materiál je určen pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízeních. Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu. Zdroje a použitá literatura 1. Fotosyntéza. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, [cit ]. Dostupné z: 2. KUTÍK, Jaroslav. Thylakoidní membrána, sídlo fotosyntézy. [online]. 1996, roč. 75, č. 1 [cit ]. Dostupné z: 3. KARLSON, Peter. Základy biochemie. 2. (doplněné) vydání. Praha: Academia, 1971.

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Materiál je určen pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízeních. Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu. Zdroje a použitá literatura 1. BOUTET, Emmanuel. Chloroplast.svg [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: 2. NEUROtiker. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, [cit ]. Dostupné z: 3. UHROVÁ, H. Fotobio pochody. In: Biofyzika VSCHT Praha [online]. [cit ]. Dostupné z: Obr. 1. JANOUŠEK, Jiří. Thylakoid membrane. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, [cit ]. Dostupné z: 4. Fotografie a vzorce z vlastní databáze autora. Vytvořeny programy ACD FREE 12, Snagit