biologie van de cel ( fotosynthese )

waarom zijn heterotrofe afhankelijk van autotrofen ?                                          

Heterotrofen kunnen zelf niet aan fotosynthese doen, ze kunnen geen zonlicht opvangen en hier hun energie uithalen. Hun energie is afhankelijk van de suikers die autotrofen maken. Er zijn 2 soorten autotrofen, chemoautotrofen en fotoautotrofen.

Waar komt fotosynthese voor ?                                                                             

Fotosynthese komt voor bij de eukaryoten en zelfs bij prokaryoten. Bij eukaryoten vind je fotosynthese terug bij planten, algen, ééncellige en protisten zoals wieren en de cyanobacterie. Ook bacteriën kunnen aan fotosynthese doen denk maar aan de purperzwavel-bacterie deze zal H2S (waterstofsulfide) gebruiken in plaats van H2O.

Hoe gaan de reagentia in en de restproducten uit de plant ?                                            

Er zijn 3 benodigdheden voor fotosynthese. Zonlicht zal opgenomen worden door de chlorofyl in het thylakoïdmembraan. CO2 wordt opgenomen via de stomata. En water komt naar binnen via de wortels van de plant. O2 is een afvalproduct en zal via de stomata naar buiten gaan.

Hoe w de geabsorbeerde golflengte van een pigment bepaald? LICHTREACTIES

Het bepalen van welke golflengtes er zijn opgenomen door een bepaald pigment kan met een spectrofotometer, daarbij wordt een lichtstraal eerst gesplitst in verschillende golflengtes door een prisma, dan wordt er een bepaalde golflengte doorgelaten en detector zal dan zien of deze golflengte wordt doorgelaten, weerkaatst wordt of geabsorbeerd is.

Leg het experiment van Engelmann uit. LICHTREACTIES                                            

Voor de spectrofotometer bestond kon men via een experiment zien welke golflengtes gebruikt werden voor de fotosynthese. Eerst werd licht gesplitst door een prisma, dat licht werd op algen gericht. Later werden er aerobe bacteriën bij de algen gezet. de bacteriën gingen naar de blauw-violette en rode golflengtes omdat daar meer aan fotosynthese was gedaan en dus meer zuurstof aanwezig was.

Wat zijn de verschillende pigmenten bij fotosynthese ? LICHTREACTIES                  

Het hoofdpigment is chlorofyl a, deze zal voornamelijk paars en rood licht opnemen. Er is ook nog chlorofyl b, deze zal paarsblauw licht opnemen. Er zijn ook carotenoïden, ze zorgen dat het spectrum breder wordt doordat ze paars, blauwgroen licht opnemen. Maar ze zorgen ook voor fotoprotectie, dat is het beschermen van de plant tegen te veel licht. Dit doen ze door overmatig lichtenergie op te nemen, zodat het chlorofyl niet kan beschadigen of kan reageren met zuurstof.

Waarom heeft elk pigment specifieke golflengtes ? LICHTREACTIES                           

Een pigment molecule zal energie opnemen en die gebruiken om een elektron te exciteren (naar een hogere subniveau). Daarvoor moet de hoeveelheid energie van een foton exact het zelfde zijn met de hoeveelheid energie er nodig is om een niveau hoger te gaan. Hierdoor kunnen pigmenten enkel fotonen opnemen met de zelfde energie hoeveelheid. Die hoeveelheid energie hangt samen met de golflengtes wat waar samen hangt met de kleur van het licht.

Wat maakt het paar chlorofyl a moleculen zo speciaal ? LICHTREACTIES                       

In het fotosysteem, zal in het reactie center complex een speciaal paar van chlorofyl a moleculen zitten. Dit paar is zo speciaal omdat het als enige pigmentmoleculen een geëxciteerd elektron kan doorgeven aan een eerste elektronen acceptor. Al de andere pigment moleculen zullen hun elektron exciteren zodra ze energie krijgen, en als ze hun energie doorgeven vervalt hun elektron. Ze houden hun elektronen dus bij. Dit paar chlorofyl a doet dat niet, hierdoor zal de eerste elektronen acceptor reduceren. Dit proces is de eerste stap van de lichtreacties. In fotosysteem II noemt dit paar P680 en in fotosysteem I is het P700. De naam verwijst naar de golflengte die het beste opgenomen wordt.

Wat is de functie van de splitsing van water ? LICHTREACTIES                                     

Het splitsten van water gebeurd in fotosysteem II. Hier zal P680 elk een elektron afgeven aan de eerste elektronen acceptor, hierdoor worden de beide chlorofyl a moleculen positief geladen. Om opnieuw een elektron te kunnen exciteren en afgeven aan de eerste elektronen acceptor heeft P680 twee nieuwe elektronen nodig. Deze elektronen zullen afkomstig zijn van de splitsing van water. Water zal splitsen in O2 en 2 H+ en 2 elektronen, die worden opgenomen door P680+. Fotosysteem I zal geen water moeten splitsen omdat de nieuwe elektronen afkomstig zijn van de eerste elektronen acceptor van fotosysteem II.

Waarom zit P680 in FSII ? LICHTREACTIES                                                                                

In fotosysteem II wordt water gesplitst, en omdat P680 één van de beste oxidatoren van de natuur is, zal P680 nodig zijn in fotosysteem II.

Wat is het verschil tussen NAD+ en NADP+ ? LICHTREACTIES                              

Het enige chemische verschil tussen NAD+ en NADP+ is een extra fosfaat groep. Hierdoor zal NADP+ reactiever zijn. NAD+ wordt gebruikt bij de cellulaire ademhaling en NADP+ bij de fotosynthese.

Welke reacties zorgen voor de gradiënt i/d thylakoïd ruimte ? LICHTREACTIES     

Er zijn 3 processen die bijdragen aan de hoge protonen gradiënt (=verzuring) in de thylakoïd ruimte. Ten eerste bij de splitsing van water zullen de protonen (H+) naar de thylakoïd ruimte gaan. Ten tweede bij de transportketen tussen de twee fotosystemen zal de energie die vrijkomt gebruikt worden om een protonengradiënt te maken zodat er ATP gemaakt kan worden. En als laatste zal er bij de vorming van NADPH een proton worden weggehaald uit de stroma. Als er dus geen licht (of licht energie) aanwezig is zal de Ph in de thylakoïd ruimte en de stroma gelijk zijn (=7).

Wat is de circulaire elektronen flow ? LICHTREACTIES                                                    

Bij de circulaire flow zal er geen NADPH gevormd worden enkel ATP. Ook zal er geen water gesplitst worden omdat fotosysteem II niet gebruikt word. De elektronen van de eerste elektronen acceptor zullen in plaats van naar Fd (en dan naar NADP+ reductase) terug naar het cytochroom complex gaan, hun energie wordt gebruikt om ATP te maken. Vervolgens gaan de elektronen terug naar P700. Dit proces kan zich blijven afspelen. Het is ook handig voor de donkerreacties omdat die veel ATP nodig hebben maar niet te veel NADPH.

Vergelijk de mitochondriën en de chloroplast ? LICHTREACTIES                                 

De mitochondriën en chloroplast hebben veel overeenkomende kenmerken zoals, ze doen beide aan chemiomose, ze hebben allebei een transportketen, ze hebben beide ATP synthase en de cytochroom complexen komen overeen op vlak van opbouw. Er zijn natuurlijk ook verschilletjes: de elektronen in de transportketen van de mitochondriën komen van glucose, het zijn dus energierijke elektronen. In de chloroplasten komen de elektronen van water, deze hebben minder energie daarom gebruikt de plant licht energie. De protonengradiënt wordt opgebouwd in de intermembraan ruimte bij celademhaling en in de thylakoïd ruimte bij fotosynthese. ATP komt vrij in de matrix en bij de chloroplasten in de stroma (net zoals NADPH).

Waarom zal de stomata sluiten bij heel warme dagen ? AANPASSINGEN    

Tijdens heel warme dagen kan een plant snel uitdrogen, de plant moet er alles aan doen om al het water en ook waterdamp bij zich te houden. Als de stomata open staan kan de plant waterdamp verliezen.

Welke gevolgen heeft dit voor C3 planten ? AANPASSINGEN                                           

Als de stomata dichtzijn kan de plant niet meer aan gasuitwisseling doen, waardoor er een CO2 te kort komt. Hierdoor zal rubisco tijdens de koolstoffixatie O2 koppelen aan rubilose difosfaat in plaats van CO2. De plant zal geen suiker kunnen maken, maar wel ATP verspillen. Dit proces noemt men fotorespiratie. Dit komt doordat rubisco een affiniteit heeft voor O2, dat is een eigenschap van rubisco die vroeger niet veel invloed had omdat er minder O2 was dan nu. Maar nu heeft deze eigenschap wel gevolgen. Fotorespiratie kan ook bescherming bieden voor de producten van de licht reacties die beginnen op te lopen.

Wat is er speciaal aan C4 planten ? AANPASSINGEN                                                        

C4 planten zijn aangepast en zullen niet aan fotorespiratie doen. Ze noemen C4 planten omdat ze tijdens een extra reactie voor de Calvin cyclus een C4 vormen. Hier zal de fotosynthese starten in het mesofyl, maar de Calvin cyclus zal in de bundel schede cellen zijn. Bij C4 planten zitten de mesofyl cellen dus tussen en dichtbij de bundel schede cellen. Een enzym genaamd PEP carboxylase (heeft geen affiniteit voor O2, en een hogere voor CO2 dan rubisco) zal CO2 op PEP zetten die vormen samen een C4 genaamd oxaloacetaat. Deze wordt nog omgezet naar malaat. Die wordt vervolgens overgebracht naar de bundel schede cellen via plasmodesmata. Daar zal malaat gesplitst worden in CO2 en pyruvaat (C3). Pyruvaat gaat terug naar de mesofyl cellen en wordt met behulp van ATP omgezet in PEP. De CO2 zal door rubisco op rubilose difosfaat gezet worden. C4 planten zullen dus zorgen dat de concentratie aan CO2 altijd hoog genoeg is in de bundel schede cellen. Een voorbeeld van en C4 plant is maïs of bamboe.

Wat is er speciaal aan CAM planten ? AANPASSINGEN                                             

CAM planten zijn ook aangepast waardoor ze ook geen fotorespiratie ondergaan. Dit doen ze door enkel ‘s nachts hun stomata te openen, dan zal er minder waterdamp verloren gaan doordat de temperaturen lager zijn, en kan er CO2 naar binnen. Die CO2 wordt tijdelijk opgeslagen in een vacuole zodat de plant deze overdag kan gebruiken. Een voorbeeldje van een CAM plant is ananas of cactussen.

geef alle 8 stappen van wat er in de lichtreacties gebeurt

De lineaire elektronenstroom verloopt in acht stappen:

1. Een foton raakt een pigment in een lichtopvangcomplex

van PS II, en de energie ervan wordt doorgegeven tussen

pigmentmoleculen totdat het P680 in een aangeslagen toestand brengt

2. Een aangeslagen elektron van P680 wordt overgedragen naar de

primaire elektronenacceptor (we noemen dit nu P680+)

3. H₂O wordt door enzymen gesplitst, en de elektronen worden

overgedragen van de waterstofatomen naar P680+, waardoor

het wordt gereduceerd tot P680

▪ P680+ is het sterkste bekende biologische oxidatiemiddel

▪ De H⁺-ionen worden vrijgegeven in de thylakoïdeholte

▪ O₂ komt vrij als bijproduct van deze reactie

4. Elk elektron „valt“ langs een elektronentransportketen

van de primaire elektronacceptor van PS II naar

PS I. De energie die vrijkomt bij deze val zorgt voor de vorming

van een protonengradiënt over het thylakoïdemembraan

5. De potentiële energie die is opgeslagen in de protonengradiënt drijft

de productie van ATP aan door middel van chemiosmose

6. In PS I (net als in PS II) wekt overgedragen lichtenergie

P700 op, dat een elektron afgeeft aan de primaire

elektronenacceptor

▪ P700+ (P700 waaraan een elektron ontbreekt) neemt een

elektron op dat vanuit PS II via de elektronentransportketen

is doorgegeven

7. Elk elektron „valt“ langs een elektronentransportketen

van de primaire elektronacceptor van PS I naar

het eiwit ferredoxine (Fd)

8. NADP+-reductase katalyseert de overdracht van elektronen

naar NADP+, waardoor dit wordt gereduceerd tot NADPH

▪ De elektronen van NADPH zijn beschikbaar voor de reacties

van de Calvin-cyclus

▪ Dit proces verwijdert ook een H+ uit het stroma

wat is er anders aan de cyclische elektronen flow dan de lineaire

Cyclische elektronenstroom

▪ Bij cyclische elektronenstroom keren elektronen terug van

Fd naar het reactiecentrum van PS I via een plastocyanine-

molecuul (Pc)

▪ Bij cyclische elektronenstroom wordt alleen fotosysteem I gebruikt en

wordt ATP geproduceerd, maar geen NADPH

▪ Er komt geen zuurstof vrij

Sommige organismen, zoals paarse zwavelbacteriën, beschikken over

PS I maar niet over PS II

▪ Men neemt aan dat de cyclische elektronenstroom zich

vóór de lineaire elektronenstroom heeft ontwikkeld

▪ De cyclische elektronenstroom kan cellen beschermen tegen

door licht veroorzaakte schade

vergelijking chemiosmose in mitochondriën en chloroplasten

▪ Chloroplasten en mitochondriën genereren ATP via

chemiosmose, maar gebruiken verschillende energiebronnen

▪ Mitochondriën zetten chemische energie uit voedsel om in

ATP; chloroplasten zetten lichtenergie om in de

chemische energie van ATP

▪ De ruimtelijke organisatie van chemiosmose verschilt

tussen chloroplasten en mitochondriën, maar vertoont ook

overeenkomsten

In mitochondriën worden protonen naar de

intermembraanruimte gepompt en drijven ze de ATP-synthese aan terwijl

ze terugdiffunderen naar de mitochondriale matrix

▪ In chloroplasten worden protonen in de

thylakoïde-ruimte gepompt en drijven ze de ATP-synthese aan terwijl ze

terugdiffunderen naar het stroma

waar in de cel wordt ATP en NADPH gemaakt

zowel ATP en NADPH worden opgewekt via de protongradiënt naar het stroma toe

afbeelding lichtreacties vanbuiten kennen !!!

wat is de calvincyclus

Concept 11.3: De Calvin-cyclus maakt gebruik van de

chemische energie van ATP en NADPH om

CO₂ te reduceren tot suiker

▪ De Calvin-cyclus regenereert, net als de citroenzuurcyclus,

zijn uitgangsmateriaal nadat moleculen

de cyclus zijn binnengekomen en weer hebben verlaten

▪ De Calvin-cyclus is anabool; hij bouwt suiker op uit

kleinere moleculen door gebruik te maken van ATP en de reducerende

kracht van elektronen die door NADPH worden gedragen

wat zijn de 3 fasen van de Calvin cyclus

Koolstof komt de cyclus binnen als CO₂ en verlaat deze als een

suiker die glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P) wordt genoemd

▪ Voor de netto-synthese van één G3P moet de cyclus

drie keer plaatsvinden, waarbij drie moleculen CO₂ worden vastgelegd

▪ De Calvin-cyclus bestaat uit drie fasen:

1. Koolstofbinding (gekatalyseerd door rubisco)

2. Reductie

3. Regeneratie van de CO₂-acceptor (RuBP)

afbeelding metabolische pathway calvin cyclus

wat is fotorespiratie

▪ Op hete, droge dagen sluiten planten hun huidmondjes, waardoor

H₂O wordt bespaard, maar ook de fotosynthese wordt beperkt

▪ Het sluiten van de huidmondjes vermindert de toegang tot CO₂ en

zorgt ervoor dat O₂ zich ophoopt

▪ Deze omstandigheden bevorderen een ogenschijnlijk verspillend

proces dat fotorespiratie wordt genoemd

Fotorespiratie: een evolutionair overblijfsel?

▪ Bij de meeste planten (C3-planten) vormt de initiële fixatie van CO₂, via

rubisco, een verbinding met drie koolstofatomen

(3-fosfoglyceraat)

▪ Bij fotorespiratie voegt rubisco O₂ toe in plaats van

CO₂ in de Calvin-cyclus, waardoor een verbinding met twee koolstofatomen

ontstaat

▪ Fotorespiratie verbruikt O₂ en organische brandstof en

geeft CO₂ af zonder ATP of suiker te produceren

Fotorespiratie is mogelijk een evolutionair overblijfsel

omdat rubisco voor het eerst ontstond in een tijd waarin de

atmosfeer veel minder O₂ en meer CO₂ bevatte

▪ Fotorespiratie beperkt de schadelijke producten van

lichtreacties die zich ophopen bij afwezigheid van de

Calvin-cyclus

▪ Bij veel planten is fotorespiratie een probleem,

omdat het op een hete, droge dag wel

50% van de door de Calvin-cyclus gefixeerde koolstof kan verbruiken

wat doen C4 planten anders dan C3 planten

C4-planten minimaliseren de kosten van fotorespiratie door

CO₂ op te nemen in verbindingen met vier koolstofatomen

▪ Er zijn twee verschillende soorten cellen in de bladeren van

C4-planten:

▪ De bundelschede-cellen zijn dicht opeengepakt

rond de bladnerven

▪ De mesofylcellen zitten losjes tussen de

bundelschede en het bladoppervlak

De suikerproductie in C4-planten verloopt in een driestappenproces:

1. De productie van de vier-koolstofprecursoren wordt

gekatalyseerd door het enzym PEP-carboxylase in de

mesofylcellen

▪ PEP-carboxylase heeft een hogere affiniteit voor CO₂ dan

rubisco; het kan CO₂ binden, zelfs wanneer de CO₂-

concentraties laag zijn

2. Deze vier-koolstofverbindingen worden getransporteerd naar

bundelschede-cellen

3. In de bundelschede-cellen geven ze CO₂ af,

dat vervolgens wordt gebruikt in de Calvin-cyclus

wat gebeurd er als de koolstofdioxide in de lucht zwaar toeneemt zoals bij klimaat verandering

deze verandering kan een verschillend effect hebben op C3 en 4 planten, maar deze blijven onvoorspelbaar, maar C4 fotosynthese gebruikt minder water en grondstoffen dan C3 fotosynthese

waar staat CAM voor en wat doet het

CAM staat voor crassulacean acid metabolism => vertaald

CAM planten openen hun stomata (huidmondjes) s’nachts en slaan CO2 dan op in organische zuren die opgeslagen liggen in de vacuole, doorheen de dag zal de CO2 terug uit de organische zuren gehaald worden en zal dit in de calvin cyclus gebruikt worden

wat is nu eigenlijk het verschil tussen CAM en de C4 pathway

De CAM-route lijkt op de C4-route in

die zin dat bij beide CO₂ wordt opgenomen in organische

tussenproducten voordat het de Calvin-cyclus bereikt

▪ Bij de C4-route zijn de eerste

stappen van de koolstofbinding structureel gescheiden van de Calvin-cyclus

▪ Bij de CAM-route vinden deze stappen plaats in dezelfde

cel, maar zijn ze in de tijd van elkaar gescheiden

wat is het belang van fotosynthese

▪ De energie die in de vorm van zonlicht de chloroplasten binnenkomt, wordt

opgeslagen als chemische energie in organische verbindingen

▪ De suiker die in de chloroplasten wordt aangemaakt, levert chemische

energie en koolstofskeletten voor de synthese van de

organische moleculen van cellen

▪ Planten slaan overtollige suiker op als zetmeel in chloroplasten

en andere structuren, zoals wortels, knollen, zaden

en vruchten