bio h5

5 STOF- EN ENERGIEOMZETTINGEN BIJ AUTOTROFE ORGANISMEN

5.1 Autotrofe en Heterotrofe Organismen

Biologische macromoleculen: Elke cel heeft sachariden, lipiden, proteïnen en nucleïnezuren nodig.

Autotrofe Organismen

  • Kenmerken: Nemen anorganische stoffen (H2O, CO2, anorganische zouten) op om koolstofverbindingen op te bouwen.

  • Fotosynthese: Groene planten maken zetmeel uit water en CO2 in aanwezigheid van licht en chlorofyl.

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2n C6H12O6 → (C6H10O5)n +n H2O

Heterotrofe Organismen

  • Kenmerken: Bouwen koolstofverbindingen niet zelf; nemen deze via voeding op samen met water en anorganische zouten.

  • Vertering: Koolstofverbindingen worden afgebroken tot bouwstenen (glucose, aminozuren, vetzuren, glycerol) in het spijsverteringsstelsel, daarna gesynthetiseerd tot eigen stoffen.

5.2 Fotosynthese

5.2.1 De chloroplast

  • Het fotosyntheseproces vindt plaats in de chloroplast.

5.2.2 Voorwaarden voor fotosynthese

Licht: Nodig voor fotosynthese; aangetoond door zetmeelvorming in belichte en niet-belichte bladdelen.

  • Betrokken Kleuren: Engelmann's experiment toont aan dat aerobe bacteriën zich verzamelen waar blauw en rood licht valt, wat leidt tot maximale zuurstofvorming.

    → Blauw en rood licht zijn het meest effectief voor fotosynthese.

Fotosynthesepigmenten

  • Niet-groene bladdelen vormen geen zetmeel, wat de noodzaak van bladgroen aantoont.

  • Bladgroen bestaat uit een mengsel van pigmenten:

    • Groene chlorofylpigmenten

    • Gele fotosynthesepigmenten (carotenoïden) zoals:

      • Caroteen (geeloranje)

      • Xanthofyl (geelbruin)

    • Soorten chlorofyl:

      • Chlorofyl a, b, c, en d

      • Zaadplanten bevatten altijd chlorofyl a en b.

CO2: De noodzaak van CO2 kan eenvoudig worden aangetoond door een proef.

5.2.3 Fotosynthesereacties

De vorming van glucose en vervolgens zetmeel vindt plaats in twee stappen:

  1. Eerste stap: lichtreacties (in de thylakoïden)

    • Opgenomen lichtenergie uit de rode en blauwe lichtstralen worden in de chlorofylmoleculen bepaalde elektronen van hun normale energieniveau naar een aangeslagen toestand gebracht.

    • De aangeslagen energierijke elektronen van de chlorofylmoleculen kunnen op verschillende plaatsen terechtkomen.

      • De elektronen kunnen terugvallen naar hun grondtoestand en de vrijgekomen energie doorgeven aan een naburige chlorofylmolecuul waardoor dit in aangeslagen toestand komt (resonantie-energieoverdracht).

      • De elektronen worden uitgestoten waardoor het chlorofyl een elektronendonor wordt. De uitgestoten elektronen worden opgevangen door een elektronenacceptor. Zo wordt lichtenergie omgezet in chemische energie.

    • Deze omzettingen vinden plaats in speciale reactiecentra, fotosysteem I en fotosysteem II.

    • Deze systemen bevatten chlorofylmoleculen gekoppeld aan allerlei andere moleculen (o.a. eiwitten).

    • Chlorofyl buiten de fotosystemen (antennne-chlorofyl) draagt, net zoals de andere pigmenten, zijn geabsorbeerde lichtenergie via resonantie-energieoverdracht over op chlorofylmoleculen in de fotosystemen.

    • de opgenomen lichtenergie wordt gebruikt voor lichtafhankelijke reacties

Lichtafhankelijke Reacties in Fotosynthese

  • Fotolyse van Water

    • Aangeslagen elektronen van chlorofylmoleculen in fotosysteem II worden uitgestoten en gegeven aan fotosysteem I, waardoor fotosysteem II positief geladen wordt.

    • Elektronen worden vervangen door elektronen van een watermolecuul, waarbij water splitst en zuurstofgas geproduceerd wordt:[ 2H_2O \rightarrow 4H^+ + 4e^- + O_2 ]

    • De uitgestoten elektronen vullen het elektronentekort van chlorofyl in fotosysteem I aan.

  • Fotofosforylatie

    • De energie van de uitgestoten elektronen van fotosysteem II wordt gebruikt door een protonenpomp om protonen actief van het stroma naar de thylakoïden te pompen.

    • Protonen uit de fotolyse blijven ook in de thylakoïden, waardoor een protonengradiënt ontstaat.

    • Protonen migreren naar het stroma via een transmembraanproteïne, het ATP-synthetasecomplex, dat ATP vormgeeft.

  • NADP-reductie

    • Naast ATP wordt ook NADPH + H+ gevormd door enzym NADP-reductase.

    • Aangeslagen elektronen van chlorofyl in fotosysteem I worden uitgestoten en via een elektronentransportketen aan NADP+ gegeven

BESLUIT:

  • ADP wordt omgezet in ATP.

  • NADP+ wordt omgezet in NADPH.

Deze twee stoffen zijn echter niet geschikt om energie blijvend op te slaan. De energie moet worden overgebracht naar stabielere moleculen die in grote hoeveelheden kunnen worden opgeslagen.

  1. Tweede stap: donkerreacties in het Stroma

De Calvincyclus zet CO2 om in glucose (C6H12O6) met behulp van energie uit ATP en elektronen uit NADPH + H+. Deze cyclus bestaat uit vier fasen:

1. Fixatie van Koolstof

  • CO2 bindt met het enzym rubisco aan ribulose-1.5-bifosfaat

  • Resultaat: een onstabiele 6 C-atoom molecuul dat uiteenvalt in twee C3-moleculen, (3-fosfoglyceraat)

2. Reductie tot Sachariden

  • 3-fosfoglyceraat wordt gereduceerd tot glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P).

  • Deze reductie vereist 12 ATP en 12 NADPH per glucose-molecuul.

3. Vorming van Glucose

  • Twee moleculen glyceraldehyde-3-fosfaat worden getransporteerd naar het cytoplasma, waar ze worden omgezet in glucose

4. Regeneratie van ribulose-1,5-fosfaat

  • De overige 10 glyceraldehyde-3-fosfaatmoleculen worden omgezet in 6 ribulose-1,5-fosfaat via een aantal tussenstappen, waarbij 6 ATP's worden verbruikt.

Opmerking: In de Calvincyclus worden ook 12 H2O-moleculen verbruikt. Deze worden hier niet vermeld.

Het gevormde glucose wordt omgezet in zetmeel en sacharose.

Opmerking: Door het gebruik van 18O kan men bewijzen dat de zuurstofatomen in het gevormde zuurstofgas afkomstig zijn van water en niet van koolstofdioxide.

(zie boek voor reacties)