Information

Photosynthese: Was treibt die Wasserspaltung an?

Photosynthese: Was treibt die Wasserspaltung an?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Die Spaltung von Wasser ist eine endergonische (nicht spontane) Reaktion und würde daher Energie (zu leistende chemische Arbeit) erfordern, um ablaufen zu können.

Im Photosystem II katalysiert ein Enzym diese Spaltung, aber woher nimmt es die Energie? Wird ATP verwendet?


Bei der Katalyse geht es darum, die freie Energiebarriere (auch bekannt als Aktivierungsenergie) einer Reaktion zu reduzieren, sodass keine Energie benötigt wird. Bei der Photolyse (z.B. Wasserspaltung) erhält man die Energie aus den absorbierten Photonen.

Der genaue Vorgang wird als Joliot-Kok-Zyklus bezeichnet:

  • Abbildung 1 - Joliot-Kok-Zyklus - Quelle

Das Photon trennt also die Ladungen auf dem P680, danach aktiviert das aktivierte P680 den Yz-Zwischenstoff, der das Enzym zum nächsten Schritt (Sx) in der Reaktion zwingt.

  • 2012 - Transmembrane elektrische Potentialdifferenz im Protein-Pigment-Komplex des Photosystems 2
  • 2006 - Der Mangan-Calciumoxid-Cluster des Photosystems II und seine Assimilation durch die Cyanobakterien

Der Gesamtprozess umfasst drei Arten von Reaktionssequenzen: (a) Lichtinduzierte Ladungstrennung führt zur Bildung des Radikalionenpaars P680+Qualitätssicherung(-) ; (b) Reduktion von Plastochinon zu Plastochinol an der QB-Stelle über eine zweistufige Reaktionssequenz mit QA(-) als Reduktionsmittel und (c) oxidative Wasserspaltung in O2 und vier Protonen an einem manganhaltigen katalytischen Zentrum über eine vierstufige Sequenz, angetrieben von P680+ als Oxidationsmittel und ein redoxaktives Tyrosin YZ als Mediator.

  • 2007 - Photosystem II: Struktur und Mechanismus des Wassers:Plastochinon-Oxidoreduktase.

Der Prozess beinhaltet also kein ATP oder NAD oder ähnliches, sondern nur das "redoxaktive Tyrosin YZ". ATP und NADPH entstehen nach dem PS2-Teil der Photosynthese.

  • Abbildung 2 - Lichtabhängige Reaktionen der Photosynthese - Elektronentransportkette - Quelle

Bei der Photolyse von Wasser geht es darum, die von den Photonen (Licht) stammende Energie in ATP und NADPH zu speichern. Im Calvin-Zyklus nutzen die Zellen die gespeicherte Energie, um CO2 in Kohlenhydrate umzuwandeln. Zum Beispiel kann Glukose an die Zellen in der Wurzel abgegeben werden, die sie als Nahrung verwenden können.


Die bei der Wasserspaltung entstehenden Elektronen werden später zur Spaltung von CO2 verwendet.

Die allgemeine Formel lautet:

Das Photosystem II führt den ersten Teil der Reaktion durch, indem es Wasser spaltet und Elektronen auf Plastochinon überträgt und auch H+-Ionen erzeugt. Wasser wird bei dieser Reaktion oxidiert (gibt Elektronen ab), CO2 wird am Ende reduziert (erhält Elektronen). 4 Photonen werden benötigt, um 1 Wassermolekül zu spalten und 8 Photonen, um ein Sauerstoffmolekül freizusetzen. Bei grünen Pflanzen kommt die Energie für diese Reaktion vollständig aus Licht. Dabei wird die Energie der Elektronen auch zur Erzeugung von ATP genutzt, nicht um es zu nutzen. Eine genauere Ansicht finden Sie im Schaltplan "Z-Schema" auf der Wikipedia-Seite zur Photosynthese:

Die Abbildung zeigt den Fluss der Elektronen und die Punkte, an denen sie durch Licht auf höhere Energieniveaus gebracht werden. Die Energie des Lichts wird dann in einen Protonengradienten umgewandelt, der dann zur Erzeugung von ATP verwendet wird.

Es ist auch möglich, die Rolle des Sauerstoffs durch Schwefel auszutauschen, die Energiequelle ist dann meist Wärme. Dies geschieht durch schwefelreduzierende Bakterien in der Tiefsee in der Nähe von Schwarzen Rauchern.


Wasseroxidationschemie des Photosystems II

Licht ist in der Tat die Energie, die für den Prozess benötigt wird! Das beteiligte Photosystem Chlorophyll ist P680. Die Lichtenergie regt ein Elektron auf ein höheres Niveau an, und dieses Elektron wird von Phäophytin eingefangen und bildet P680+. Das Redoxpotential für P680+ ist riesig, 1,3 V, und es wird a sehr starkes Oxidationsmittel, das sein verlorenes Elektron aus dem Wasser während des Sauerstoffentwicklungsprozesses regeneriert. Das Elektron, das zu Phäophytin ging, wird schließlich auf Q . übertragenEIN, dann zu QB (diese sind an anderer Stelle beteiligt).

Jetzt also das P680+ oxidiert diesen redoxaktiven Tyrosinrest namens Yz, indem er ein Elektron aufnimmt. Dies zwingt das Yz in einen radikalen Zustand Yz*. Wie der Artikel weiter liefert, zeigten die Daten, dass der pKa der Yz-Hydroxylgruppe größer als 9 ist, was bedeutet, dass sie bei physiologischem pH protoniert werden sollte. Als Ergebnis wird zusammen mit dem oben skizzierten Elektronentransfer ein Proton abgegeben von Yz* zu einer nahegelegenen Base: Histidin 190. Auf diese Weise ist Yz* in der Lage, den nahegelegenen vierkernigen Mangancluster schnell zu oxidieren. Ein Sauerstoff entwickelnder Komplex wird gebildet von Yz, Mn4, Ca, Cl und ein paar zusätzliche Aminosäuren. Yz oxidiert den Mangancluster, was zu Übergangszuständen führt, die als S1-S4 bezeichnet werden:

Der stark oxidierte Mn-Cluster oxidiert dann Wasser, um in einen S0-Zustand zurückzukehren und O . zu bilden2 als Teil des Prozesses.

Die Autoren im Detail:

Wir schlagen vor, dass die Bildung einer OO-Bindung im S4-Zustand über einen nukleophilen Angriff auf eine elektronenarme MnV=O-Spezies durch ein Ca2-gebundenes Wassermolekül erfolgt… -ähnliche Reaktion (S4-Zustand in Abbildung 2). Wir schlagen vor, dass dies durch Kontraktion der Mn-Cl-Bindung bei Bildung der hochvalenten MnV=O-Einheit geschieht.

Zusammenfassend sehen wir Licht Kräfte die Reaktion, aber es ist vermittelt durch Eiweiß. Die Nettoreaktion ist eine Oxidation eines Metalloenzymkomplexes, der im Wesentlichen die Wasserstoffe von Wassermolekülen abreißt, um in seinen Standardzustand zurückzukehren. Der für diese Antwort verwendete Artikel war die beste Erklärung mit vielen Details, die ich persönlich finden konnte, aber es ist von 2002. Wenn jemand eine genauere Erklärung hat, lass es mich wissen!


Andere zwei von ihnen beschreiben sehr Details und das sind gute Antworten.

Licht ist die Energiequelle und aktiviert die Enzyme, um $ce{H_2O}$ zu spalten. Wenn ein Chlorophyll im Reaktionszentrum des Photosystems II Lichtenergie absorbiert, wird ein Elektron freigesetzt. Dies ist der aktivierte Zustand, der durch Licht erregt wird und genügend Energie/Fähigkeit hat, um Elektronen aus $ce{H_2O}$ aufzusaugen.

$ce{2H_2O ightarrow 4H^+ + 4e^- + O_2}$


  • Bei lichtabhängigen Reaktionen wird die Energie des Sonnenlichts von Chlorophyll absorbiert und in chemische Energie in Form von Elektronenträgermolekülen wie ATP und NADPH umgewandelt.
  • Lichtenergie wird in den Photosystemen I und II genutzt, die beide in den Thylakoidmembranen von Chloroplasten vorhanden sind.
  • Bei lichtunabhängigen Reaktionen (dem Calvin-Zyklus) werden Kohlenhydratmoleküle aus Kohlendioxid unter Verwendung der bei den lichtabhängigen Reaktionen gewonnenen chemischen Energie aufgebaut.
  • Fotosystem: Eines von zwei biochemischen Systemen, die in Chloroplasten aktiv sind und Teil der Photosynthese sind.

Die Photosynthese erfolgt in zwei aufeinander folgenden Stufen:


Photosynthese

Allgemeiner Prozess der Photosynthese

  • Sonnenlicht wird von Chlorophyll absorbiert (enthalten in ThylakoidMembranen des Chloroplasten).
  • Chlorophyllmoleküle sind angeordnet in Fotosysteme.
  • Diese absorbierte Energie wird verwendet, um Wasser in drei verschiedene Komponenten aufzuspalten:
    1. Wasserstoffionen (auch genannt Protonen) werden im Chloroplasten gespeichert – ein Bereich, der als Protonenpool bezeichnet wird.
    2. Sauerstoff gelangt aus Pflanzenzellen und Blättern in die Atmosphäre.
    3. Elektronen Chlorophyll gegeben.
  • Chlorophyll, das aufgrund des Sonnenlichts Energie hat, überträgt diese Energie auf seine Elektronen und erzeugt hochenergetische Elektronen.
  • Diese hochenergetischen Elektronen werden mit Protonen und Kohlendioxid kombiniert, um Glucose.

Detaillierter Prozess der Photosynthese

Die Photosynthese läuft im Chloroplasten in zwei Stufen ab:

  • Lichtbühne – erfordert den direkten Lichteinfall und tritt im Thylakoidmembranen.
  • Dunkle Bühne (lichtunabhängige Stufe ODER Calvin-Zyklus) – nicht erfordern den direkten Lichteinfall und tritt in der stroma.

Lichtbühne

  • Sonnenlicht-Photon trifft auf einen Cluster von Chlorophyll-Molekülen namens a Fotosystem.
  • Die Chlorophyllmoleküle übertragen die Energie auf a Reaktionszentrum Chlorophyll (RCC).
  • Die Energie wird von einem Elektron absorbiert, das zu einem ‘ . wirdhochenergetisches Elektron‘.
  • Das energetisierte Elektron wird aus dem RCC freigesetzt und kann einen von zwei Wegen nehmen:

1. Zyklischer Pfad (Pfad 1)
2. Nichtzyklischer Weg (Weg 2)

Ein Fotosystem

1. Zyklischer Weg
  • Das energetisierte Elektron wird von einem Elektronenakzeptor aufgenommen.
  • Es wird von Elektronenakzeptor zu Elektronenakzeptor weitergegeben Energie verlieren nach dem Weg.
  • Diese Energie wird verwendet, um die Produktion von ATP aus ADP und einem Phosphat.
  • Sobald das Elektron durchgelaufen ist, ist es vom RCC wieder aufgenommen (Chlorophyll).
  • Das ATP wird an die nächste Stufe der Photosynthese weitergegeben – die Dunkelstufe.
2. Nichtzyklischer Weg (Weg 2)
  • Das energetisierte Elektron wird von einem Elektronenakzeptor aufgenommen.
  • Es wird von Elektronenakzeptor zu Elektronenakzeptor weitergegeben Energie verlieren nach dem Weg.
  • Diese Energie wird verwendet, um die Produktion von ATP aus ADP und einem Phosphat.
  • Die Photosystem ist elektronenarm und spaltet Wasser in Elektronen, Protonen und Sauerstoffgas (Photolyse).
  • Die Elektronen werden vom Photosystem aufgenommen, das Protonen werden in einem Protonenpool gespeichert innerhalb des Chloroplasten und der Sauerstoffgas wird entweder freigesetzt in die Atmosphäre oder in der Atmung verwendet.
  • Die Elektronen, die die Elektronenakzeptoren passiert haben, sind jetzt niederenergetische Elektronen und werden nun auf ein anderes Photosystem geleitet.
  • Licht trifft auf dieses zweite Photosystem und die Elektronen werden wieder mit Energie versorgt.
  • Die Elektronen werden freigesetzt und von NADP + gefangen genommen, um NADP zu werden – .
  • Protonen werden von NADP angezogen und von ihm aufgenommen –, um zu NADPH zu werden.
  • NADPH und ATP werden an die nächste Stufe der Photosynthese weitergegeben – die Dunkelstufe.

Dunkle Bühne (Calvin-Zyklus)

  • NADPH und ATP aus der Lichtstufe werden verwendet reduzieren (Addition von Protonen und Elektronen) KohlenstoffDioxid in dem stroma des Chloroplasten.
  • Glukose istgebildet bei dieser Reaktion.
  • Als Ergebnis, NADPH wird wieder in NADP + umgewandelt und ATP wird wieder in ADP und ein Phosphat umgewandelt.

Obligatorisches Experiment: um den Einfluss der Lichtintensität ODER der Kohlendioxidkonzentration auf die Photosyntheserate zu untersuchen

Ausrüstung:

  • Laichkraut (Elodea)
  • Meterstab
  • Teichwasser
  • Thermometer
  • Büroklammer
  • Natriumhydrogencarbonat
  • Stoppuhr
  • Klinge mit Rücken
  • Starke fluoreszierende Lichtquelle
  • Becher und Reagenzglas

Methode:

  • Besorge dir frisches Laichkraut.
  • Schneiden Sie mit der Klinge mit Rückseite einen kleinen Abschnitt ab und drücken Sie das abgeschnittene Ende leicht zwischen Ihren Fingern.
  • Laichkraut in ein Reagenzglas mit Teichwasser geben.
  • Stellen Sie sicher, dass das abgeschnittene Ende nach oben zeigt und beschweren Sie das Laichkraut, indem Sie eine Büroklammer anbringen.
  • Beleuchten Sie das Laichkraut 5 Minuten lang mit der starken Lichtquelle, damit sich das Laichkraut anpassen kann.
  • Bewegen Sie die Lichtquelle in verschiedene Entfernungen vom Laichkraut.
  • Lassen Sie das Laichkraut 5 Minuten lang an jede neue Lichtintensität anpassen, bevor Sie die Anzahl der Blasen pro Minute zählen.
  • Zählen Sie die Anzahl der Blasen pro Minute bei jeder Entfernung.
  • Berechnen Sie die Lichtintensität bei jeder Entfernung mit der folgenden Formel: 1 /D 2 (wobei d der Abstand von der Lichtquelle ist)
  • Füllen Sie die folgende Tabelle aus:
Geräteaufbau zur Untersuchung des Einflusses der Lichtintensität auf die Photosyntheserate

Notizen Photosynthese ICSE Klasse 10 Biologie

Die Schüler sollten sich auf die nachstehenden Hinweise zur Photosynthese ICSE-Biologie der Klasse 10 beziehen, die auf der Grundlage des neuesten Lehrplans und Prüfungsmusters von ICSE erstellt wurden. Diese Revisionsnotizen sind wirklich nützlich und helfen Ihnen, alle wichtigen und schwierigen Themen zu lernen. Diese Notizen sind auch sehr nützlich, wenn Sie sie kurz vor Ihren Biologieprüfungen zum Überarbeiten verwenden. Weitere Hinweise zur Biologie der ICSE-Klasse 10 finden Sie zur besseren Vorbereitung.

Schnelle Überprüfung
➢ Photosynthese ist der Prozess, bei dem grüne Pflanzen oder deren Teile mithilfe anorganischer Rohstoffe wie CO . komplexe kohlenstoffhaltige Verbindungen herstellen2 und Wasser bei Sonneneinstrahlung. Ö2 wird als Nebenprodukt befreit.

Der gesamte freigesetzte Sauerstoff stammt aus Wasser durch einen Prozess, der Photolyse von Wasser genannt wird.
➢ Dies ist ein anaboler, endergonischer (erfordert Energie) und Oxidations-Reduktionsprozess. Die Photosynthese ist der einzige Prozess, bei dem Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt wird.
➢ Ein Chloroplast ist eine ovale, winzige Doppelmembran-Organelle, die in grünen Pflanzen vorkommt. Es enthält ein grünes Pigment namens Chlorophyll, das Lichtenergie für die Photosynthese absorbiert. Im Inneren enthält es eine Matrix oder ein Stroma und die Thylakoide. An einigen Stellen sind die Thylakoide selbst zu einem Stiel aus münzenähnlichen Strukturen angeordnet, die Grana genannt werden.
Jeder Stiel der Thylakoidsäcke ist durch eine Struktur verbunden, die als Stromalamellen bekannt ist. Der Chloroplast kommt hauptsächlich in chlorenchymatösen Zellen von Blättern vor.
➢ Spaltöffnungen sind die Strukturen, die hauptsächlich für den Gasaustausch im Prozess der Photosynthese, Atmung und Transpiration verantwortlich sind.
➢ Die Stomata öffnen sich bei Licht, wenn die Schließzellen geschwollen sind und schließen sich, wenn sie schlaff sind. Diese Turgorveränderungen führen zum Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen.
➢ Nach der K+-Ionenpumpen-Hypothese von Malate sind die Turgorveränderungen, die die Stomata öffnen und schließen, auf die reversible Absorption und den Verlust von Kaliumionen (K+) zurückzuführen.
➢ Die Spaltöffnungen öffnen sich, wenn Schließzellen K+-Ionen aus den umgebenden Epidermiszellen aufnehmen. Die Aufnahme von K + -Ionen durch Schließzellen erfolgt durch H + - und K + -Ionenaustausch. Die H + -Ionen erscheinen in der Schließzelle aufgrund der Dissoziation von Maleinsäure. Die Maleinsäure dissoziiert in den Schließzellen in Malatanionen und H + -Ionen.

➢ Nachts nimmt die K+-Ionenkonzentration in den Schließzellen ab. Dies senkt den osmotischen Druck der Schließzellen, was zum Schließen der Spaltöffnungen durch Exosmose führt.
➢ Mechanismus der Photosynthese: Die Photosynthese besteht aus zwei Phasen – der hellen Phase und der dunklen Phase. In der Lichtphase wird Licht vom Chlorophyll absorbiert und genutzt. Dies wird daher als photochemische Reaktion oder Hill-Reaktion bezeichnet. Es kann in zwei Schritten beschrieben werden – Photolyse und Bildung von Assimilationskräften.
➢ Photolyse ist der Prozess der Wasserspaltung in Gegenwart von Licht. Wasser zerfällt in H + und OH – Ionen. H + -Ionen gehen zu NADP+, während OH – -Ionen in Gegenwart von Z-Komplex-Enzymen, Mn +² und Cl – -Ionen in Wasser, Sauerstoff und Elektron aufgespalten werden.

4 Stunden2O → 4H+ + 4OH –
4OH → 2H2O + O2 ↑ + 4e –
Mn +² , Cl – , Z-Komplex

➢ Assimilationskräfte [ATP und NADPH] werden bei der nichtzyklischen Photophosphorylierung gebildet. Diese Assimilationskräfte werden in der dunklen Reaktion verwendet. Die Assimilationskräfte dienen der Fixierung von CO2 in Glukose.
➢ Photophosphorylierung ist der Prozess, bei dem ADP (Adenosine Diphosphat) in ATP (Adenosine Triphosphate) umgewandelt wird durch die Addition einer Phosphat (Pi) Gruppe, d.h. anorganisches Phosphat, unter Nutzung der Energie von Photonen.
ADP + Pi ATP
➢ Dark-Reaktion (biosynthetische Phase) oder Blackman-Reaktion beinhaltet die Fixierung und Reduktion von CO2 was zur Bildung von Kohlenhydraten führt.
➢ Die Dunkelphase tritt im Stroma des Chloroplasten auf, wo alle für CO . notwendigen Enzyme2 Fixierung und Synthese von Zucker und Stärke sind angesiedelt.
➢ RuBP (Ribulosebisphosphat) wirkt als primärer Akzeptor von atmosphärischem Co2 zu Beginn dieser Phase und durch die Verwertung von ATP und NADPH (Produkte der Lichtreaktion) wird Glucose synthetisiert und RuBP regeneriert. Die Gesamtreaktion dieser Phase ist

6 RuBP + 6 CO2 + 18 ATP + 12e – → 6 RuBP + C6 h12Ö6 + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP + 6H2Ö
Die Wasserstoffionen verbinden sich mit CO2 Glukose zu bilden.
➢ Glucose, die während der Photosynthese produziert wird, ist in Wasser löslich und besteht aus kleinen Molekülen. Sobald Glukose produziert wird. Es wird durch den Polymerisationsprozess in Stärke umgewandelt. Die Stärke ist in Wasser unlöslich. Es dient der Speicherung von Nahrung in den Pflanzenzellen.
➢ Anpassung eines Blattes für die Photosynthese – Große Oberfläche zur Maximierung der Lichternte.

– Dünnere Blätter, um die Entfernung für CO . zu verringern2 um durch das Blatt zu diffundieren und sicherzustellen, dass das Licht in die Mitte des Blattes eindringt.
– Anordnung der Chloroplasten auf der Blattoberseite, um ein Maximum an Licht zu erhalten.
– Vorhandensein von mehr Spaltöffnungen, um einen schnellen Gasaustausch zu ermöglichen ( CO2 und O2 ).

THEMA-2
Verschiedene Experimente und Faktoren, die die Photosynthese beeinflussen

Schnelle Überprüfung
Test auf Photosynthese: Das Blatt wird in kochendem Wasser (5-10 Minuten) getötet, getrocknet, in warmem Spiritus entfärbt, angefeuchtet und in Jodlösung getaucht. Blaue Farbe zeigt Stärke an.
CO2 ist für die Photosynthese/Molls Halbexperiment notwendig: Eine Hälfte des entstärketen Blattes wird in eine luftdichte Weithalsflasche mit einer kleinen Menge KOH (zur Aufnahme von CO .) gegeben2) und beleuchtet. Stärketest nach einer Stunde zeigt Abwesenheit in der eingefügten Hälfte und Anwesenheit in der äußeren Hälfte (wobei CO2 ist verfügbar ).
Licht ist für die Photosynthese notwendig: In Ganongs Lichtgitter ist ein intaktes Blatt einer entstärketen Pflanze mit einem designten Schnitt im Deckel angebracht. Dasselbe wird einige Zeit dem Licht ausgesetzt und dann auf Stärke getestet. Nur das Design, durch das Licht auf das Blatt fällt, wird blau gefärbt.
Chlorophyll ist essentiell für die Photosynthese: Beleuchtetes buntes Blatt von Coleus/Photos wird auf Stärke getestet. Nur die Bereiche werden blau, die Chlorophyll enthalten.

Faktoren, die die Photosynthese beeinflussen

Externe Faktoren
Hell : Die Photosynthese wird im sichtbaren Licht (380 – 760 nm Wellenlänge) des Spektrums erfolgreich durchgeführt. Die Photosyntheserate ist bei rotem Licht maximal, bei blauem Licht durchschnittlich und bei grünem Licht minimal. Eine moderate Lichtintensität ist für eine hohe Photosyntheserate günstig.
Kohlendioxid : 0,03 % CO2 ist in der Atmosphäre vorhanden. CO .-Erhöhung2 Eine Konzentration von bis zu 0,9% erhöht die Photosyntheserate, aber eine Konzentration über 0,9% ist schädlich und verringert die Photosyntheserate.
Temperatur : Im Allgemeinen nimmt die Photosynthese mit einer Temperaturerhöhung im Bereich von 10–35°C zu. Oberhalb von 35 °C nimmt die Photosyntheserate ab.
Wasser : Etwa 1% des gesamten absorbierten Wassers wird für die Photosynthese verwendet. Wassermangel verringert die Photosyntheserate.

Interne Faktoren
Chlorophyll: Es ist wichtig, dass die Photosynthese stattfindet. Die Photosyntheserate pro Chlorophylleinheit nimmt mit dem Alter der Blätter ab.
Ansammlung des Endprodukts der Photosynthese – Die Photosyntheserate sinkt mit der Anhäufung von Nahrung, die durch Photosynthese synthetisiert wird.

Kennen Sie die Bedingungen

Photooxidation : Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff unter Lichteinfluss.
Zubehörpigmente : Dies sind die Pigmente außer Chlorophyll, die in Photosystemen vorhanden sind und helfen, Licht einzufangen und an die Photozentren weiterzugeben.
CAM-Pflanzen: Dies bezieht sich auf die Sukkulenten und einige andere Pflanzen, die einen Crassulaceen-Säurestoffwechsel aufweisen.
Chemosynthese: Der Prozess der Nahrungssynthese, bei dem die Organismen chemische Reaktionen nutzen, um Energie aus anorganischen Verbindungen zu gewinnen.
Fotozentrum : Es ist ein primäres Pigmentmolekül im Photosystem, in dem Energie verwendet wird, um chemische Reaktionen abzuleiten.
Lichtatmung: Es ist sehr verschwenderisch, lichtabhängig, nutzt Sauerstoff und setzt Kohlendioxid frei, ohne Energie freizusetzen.
Fotosystem : Es ist ein Lichterntesystem, das in den Thylakoiden von Chloroplasten vorhanden ist.
➢ Photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) – Dies ist das sichtbare Spektrum des Lichts zwischen 400 nm und 700 nm.
Photolyse: Es ist die Spaltung von Wassermolekülen im Chloroplasten in Gegenwart von Licht.
Translokation : Es ist der Prozess der Nahrungsbewegung von den Blättern zu den Wurzeln über das Phloem.
Autotrophe : Organismen, die in der Lage sind, ihre benötigten Nährstoffe aus einfachen anorganischen Verbindungen in Gegenwart von Sonnenenergie und Chlorophyll zu synthetisieren.
Heterotrophe: Ein Organismus, der seine Nahrung nicht selbst synthetisieren kann und sich von Nährstoffen ernähren muss, die von Autotrophen hergestellt werden.
Carotinoide: Eine Gruppe von gelben, orangen und roten Pigmenten, die hauptsächlich in Plastiden vorkommen.
Fluoreszenz : Emission von Licht, normalerweise sichtbar, mit einer anderen Wellenlänge als der, die von bestrahlten Materialien oder vom Aufprall von Elektronen absorbiert wird.
Phosphoreszenz : Es handelt sich um eine verzögerte Emission langwelliger Strahlungen durch bestrahlte Substanzen, die einige Zeit nach Entfernung der Strahlungsquelle anhält.
Reaktionszentren: Es ist ein Chlorophyllmolekül, das Lichtenergie in chemische Energie umwandelt, indem es eine elektrische Ladungstrennung bewirkt. Chlorophyllmoleküle wirken somit als Reaktionszentren.
Phytol: Es ist eine Kohlenstoffkette, die wie ein Schwanz an den Porphyrinring des Chlorophylls gebunden ist. Phytol ist chemisch C20h39OH.
Solarisation : Die Zerstörung von Chlorophyll durch hohe Lichtintensität wird als Solarisation bezeichnet.
Ausgleichspunkt: Die Lichtintensität, bei der die Photosyntheserate der Atmungsrate entspricht (morgens und abends).

Autotrophe Ernährung in Pflanzen

Wir wissen, dass alle lebenden Organismen irgendeine Form von Nährstoffen verbrauchen, um das Leben zu erhalten. Tiere verzehren Pflanzen oder andere Tiere. Pflanzen verbrauchen Kohlendioxid und Wasser aus der Umwelt, um Nahrung zu produzieren.

Daher wird der Vorgang der Aufnahme einer Energiequelle (Nahrung) von außerhalb des Körpers eines Organismus nach innen als . bezeichnet Ernährung.

Wissen Sie, welche Ernährungsweise in Pflanzen durchgeführt wird? Pflanzen haben eine autotrophe Ernährungsweise. Der Begriff „autotroph“ leitet sich vom griechischen Wort „Auto“ für Selbst und „troph“ für Ernährung ab.

Bei dieser Ernährungsweise bereiten oder synthetisieren Pflanzen mit Hilfe anorganischer Rohstoffe ihre Nahrung selbst zu. Daher sind sie bekannt als Autotrophen.

Lassen Sie uns untersuchen, wie Pflanzen ihre eigene Nahrung zubereiten.

Photosynthese

Energie ist essentiell für alle Lebensprozesse. Alle lebenden Organismen brauchen Nahrung. Was ist die ultimative Nahrungsquelle auf der Erde?

Die Sonne ist die ultimative Energiequelle auf der Erde. Sonnenenergie wird von Pflanzen eingefangen und in nutzbare Form umgewandelt. Der Ursprung aller Lebensmittel ist somit die von Pflanzen zubereitete Nahrung. Dieses Futter wird auch von Tieren verzehrt.

Autotrophe wie Grünpflanzen und einige Bakterien bereiten oder synthetisieren ihre eigene Nahrung. Sie sind in der Lage, Sonnenenergie mit Hilfe eines grünen Pigments namens Chlorophyll einzufangen. Diese eingeschlossene Sonnenenergie wird dann mit CO . in chemische Energie der Nahrung umgewandelt2 und H2Ö.

Photosynthese ist der Prozess, bei dem Chlorophyll-haltige Zellen in Blättern Nahrung in Form von Kohlenhydraten unter Verwendung von Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht synthetisieren.

Daher sind die für die Photosynthese benötigten Rohstoffe CO2 und H2O und die gebildeten Produkte sind Kohlenhydrate und O2. Somit kann der Prozess wie folgt dargestellt werden:

Lassen Sie uns die für die Photosynthese benötigten Rohstoffe besprechen.

Wie werden Rohstoffe von Pflanzen verbraucht?

Die für die Photosynthese benötigten Rohstoffe sind CO2 und H2O und die gebildeten Produkte sind Kohlenhydrate und O2.

Eingabe von Rohstoffen
Pflanzen beziehen Wasser über ihre Wurzeln. Das Wasser wird dann mit Hilfe des Xylems zu allen Pflanzenteilen transportiert.
Gasaustausch (Eintrag von CO2 und Freisetzung von O2) tritt durch die Stomata auf.

Spaltöffnungen sind winzige Poren, die hauptsächlich auf der Oberfläche der Blätter vorhanden sind. Sie sind auch auf der Oberfläche junger Stängel und Wurzeln vorhanden.

Stomata bestehen aus einer Stomaöffnung oder einem Stoma, das von zwei verschiedenen Epidermiszellen, den sogenannten Schließzellen, umgeben ist. Die gegenüberliegenden Innenwände der Schließzellen sind dick und unelastisch. Die restlichen Wände sind dünn und elastisch.

Theorien hinter dem Öffnen und Schließen der Stomata

Wie steuern Pflanzen das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen?

Zwei Phasen der Photosynthese

Der Prozess der Photosynthese erfolgt in zwei Phasen – der photochemischen Phase und der biosynthetischen Phase.

Photochemische Phase – In Gegenwart von Licht laufen eine Reihe chemischer Reaktionen ab, da sich Licht als Katalysator verhält und als photochemische Phase bezeichnet wird. Die Lichtreaktionen finden in Thylakoiden der Chloroplasten statt.

Lichtreaktionen – Wie der Name schon sagt, findet diese Reaktion in Gegenwart von Licht statt. Lichtenergie wird von Chlorophyllmolekülen absorbiert und zur Aufspaltung von Wassermolekülen in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet. Zusätzlich in dieser Phase Assimilationskraft in Form von ATP und NADPH2 werden produziert. In den Membranen von Thylakoiden treten Lichtreaktionen auf.

Ereignisse, die bei Lichtreaktionen auftreten:
Absorption von Lichtenergie durch Chlorophyllmoleküle
Aufspaltung von Wassermolekülen in Wasserstoff- und Sauerstoffatome
Bildung von ATP und NADPH2

An der Photolyse beteiligte Reaktionen:-

Biosynthetische Phase – Es umfasst die Reaktionen, die nicht vom Licht abhängig sind (aber auch tagsüber auftreten können). Es führt zur Synthese von Kohlenhydraten oder ‘Nahrung’, unter Verwendung der Energie, die durch Lichtreaktionen erzeugt wird.

Dunkle Reaktionen – Diese Reaktion erfordert kein direktes Licht und findet im Stroma von Chloroplasten statt. Während dieser Phase werden ATP und NADPH2 (bei Lichtreaktionen gebildet) zur Reduktion von CO . genutzt2 zu Kohlenhydraten (Nahrung).

Ereignis während der Dunkelreaktion: Reduzierung von CO2 zur Bildung von Kohlenhydraten Die Umwandlung von Glucosemolekülen in 1 Mol Stärke wird als Polymerisation bezeichnet.

Einige interessante Fakten:
Wussten Sie, dass die Gesamtmenge an O2 Die von einem Hektar Bäume pro Jahr produzierte Menge entspricht der Menge, die jährlich von etwa 18 Menschen konsumiert wird!
Ein Baum produziert fast 260 Pfund O2 jährlich.
Wasserstoff ist ein sauberer Kraftstoff. Einige Grünalgen wie Chlamydomonas reinhardtii werden kultiviert, um Wasser in O . umzuwandeln2 und H2. Diese Massenproduktion von Wasserstoff könnte sich als vorteilhaft erweisen, wird aber noch erforscht.

Endergebnisse von Produkten der Photosynthese
• Glukose: Einfache Glukose wird von Pflanzen auf folgende Weise verwertet:
• Zur Aufnahme durch Pflanzenzellen
• Zur Lagerung als unlösliche Stärke
• Zur Umwandlung in Saccharose
• Zur Synthese von Fetten, Proteinen usw.
• Wasser: Es kann bei der Fortführung der Photosynthese wiederverwendet werden.
• Sauerstoff: Ein Teil davon wird bei der Atmung der Blätter verwendet und der Rest diffundiert aus.

Globale Erwärmung

Wussten Sie, dass die globale Erwärmung durch den Anbau von mehr Pflanzen reduziert werden kann?

Grüne Pflanzen nutzen bekanntlich CO2 und Wasser, um Nahrung zu produzieren und dabei O . freizusetzen2 Gas. So helfen Grünpflanzen bei der Reduzierung der CO .-Menge2 in der Atmosphäre. CO2 ist ein Treibhausgas, das einer der Gründe für die globale Erwärmung ist.

Chloroplast - Der Ort der Photosynthese

Ort der Photosynthese
• Mesophyllzellen in grünen Blättern haben eine große Anzahl von Chloroplasten, die der Ort der Photosynthese sind.
• Chloroplast besteht aus Grana- und Stromalamellen (die ein membranöses System bilden) und dem flüssigen Stroma.
• Membransystem von Chloroplasten – fängt Licht ein und synthetisiert ATP und NADPH (Ort der lichtabhängigen Reaktion der Photosynthese)
• Stroma − CO2 wird durch enzymatische Reaktionen in die Pflanze eingebaut und führt zur Zuckersynthese (Ort der lichtunabhängigen Reaktion der Photosynthese)
• Chloroplasten werden entlang der Wände der Mesophyllzellen ausgerichtet, um optimales Licht zu erhalten.

An der Photosynthese beteiligte Pigmente
• Ein Absorptionsspektrum ist der Graph, der gegen den vom Pigment absorbierten Lichtanteil aufgetragen ist.
• Ein Aktionsspektrum ist die Geschwindigkeit einer physiologischen Aktivität, aufgetragen gegen die Wellenlänge des Lichts.
• Die Ähnlichkeit des Wirkungsspektrums der Photosynthese und des Absorptionsspektrums von Chlorophyll sagt uns, dass Chlorophylle die wichtigsten Pigmente im Prozess sind.

(EIN) Absorptionsspektrum der Chlorophylle a, b und Carotinoide
(B) Aktionsspektrum der Photosynthese
(C) Wirkungsspektrum überlagert mit Absorptionsspektrum von Chlorophyll a
4 Arten von Pigmenten können in Blättern vorhanden sein: • Chlorophyll a (blaugrün)
Chlorophyll b (gelb-grün)
• Xanthophylle (gelb)
Carotinoide (gelb bis gelb-orange)
Chlorophyll a ist das Hauptpigment der Photosynthese.
In VIBGYOR-Spektren zeigt Chlorophyll a maximale Absorption, und daher ist die Photosyntheserate in den blauen und roten Regionen am höchsten.
Zusatzpigmente: Chlorophyll b, Xanthophylle und Carotinoide
Absorbieren einen größeren Lichtbereich und übertragen die Energie auf Chlorophyll a
Chlorophyll a vor Photooxidation schützen

Faktoren, die die Photosyntheserate beeinflussen

Die Photosynthese wird durch interne (pflanzliche) Faktoren und externe Faktoren beeinflusst.
• Interne Faktoren: Anzahl, Größe und Ausrichtung der Blätter, Mesophyllzellen und Chloroplasten, interne Kohlendioxidkonzentration und Chlorophyllmenge.
• Externe Faktoren: Verfügbarkeit von Sonnenlicht, Temperatur, Kohlendioxidkonzentration und Wasser.
• Gesetz der begrenzenden Faktoren − Wenn ein chemischer Prozess von mehr als einem Faktor beeinflusst wird, wird seine Geschwindigkeit durch den Faktor bestimmt, der seinem minimalen Wert am nächsten kommt (Faktor, der den Prozess direkt beeinflusst, wenn seine Menge geändert wird).
Dieses Gesetz des begrenzenden Faktors wurde von Blackman (1905) gegeben.
• Hell
• Auflicht ∝ CO2 Fixierungsrate bei höheren Lichtintensitäten steigt die Rate jedoch nicht weiter an, da andere Faktoren einschränkend werden
Licht ist selten ein limitierender Faktor (mit Ausnahme von Schattenpflanzen oder Pflanzen dichter Wälder), da die Lichtsättigung bei 10 % des vollen Sonnenlichts auftritt.
Wenn das einfallende Licht über einen bestimmten Punkt hinaus erhöht wird, führt dies zu einer Abnahme der Photosynthese aufgrund des Abbaus von Chlorophyll.

• CO2 Konzentration
• Größter limitierender Faktor
• Normalerweise niedrig in der Atmosphäre (0,03 − 0,04%)
• Bis zu 0,05% − erhöht die CO .-Rate2 Fixierung
• > 0,05% − schädigende Wirkung
• Obwohl beide C3 und C4 zeigen eine Zunahme der Photosyntheserate bei hohen Lichtintensitäten, begleitet von hohem CO2 Konzentration. Der Sättigungspunkt für C3 wird bei höheren Konzentrationen im Vergleich zu C . erhalten4. Daher ist CO2 Konzentration ist eher ein limitierender Faktor für C3 Pflanzen.
• Erhöhter CO .-Wert2 Die Konzentration ist vorteilhaft für Gewächshauskulturen wie Tomaten und Paprika.

• Temperatur
• Dunkelreaktionen reagieren empfindlicher auf einen Temperaturanstieg.
• C4 Pflanzen reagieren stärker auf einen Temperaturanstieg und zeigen eine höhere Photosyntheserate als C3 Pflanzen.
• Anpassungen je nach Habitat beeinflussen auch das Temperaturoptimum für die Photosynthese. Tropische Pflanzen haben ein höheres Temperaturoptimum im Vergleich zu Pflanzen, die in gemäßigten Klimazonen wachsen.

• Wasser
• Wasserstress führt dazu, dass sich die Spaltöffnungen schließen und somit weniger CO2 ist verfügbar.
• Wasserstress lässt die Blätter welken, wodurch auch deren Oberfläche und Stoffwechselaktivität reduziert werden.

Experimente im Zusammenhang mit der Photosynthese

Wir wissen, dass Rohstoffe von Pflanzen zur Zubereitung von Lebensmitteln verwendet werden. Bereiten Pflanzen immer Nahrung zu? Gibt es wesentliche Voraussetzungen für die Photosynthese?

1. Sonnenlicht ist für die Photosynthese unerlässlich

Stellen Sie eine gesunde grüne Topfpflanze 1-2 Tage in einen dunklen Raum. Dies geschieht, um sicherzustellen, dass die Pflanze ihre gesamte Reservenahrung aufnimmt und die Blätter keine Stärke enthalten. Dann bedecken Sie einen Teil eines Blattes dieser Pflanze auf beiden Seiten mit zwei einheitlichen schwarzen Papierstücken, die mit zwei Büroklammern in Position gehalten werden.

Setzen Sie diese Pflanze nun hellem Licht aus. Entfernen Sie nach einigen Stunden das Blatt, entfärben Sie es mit Alkohol und testen Sie das Vorhandensein von Nahrung (Stärke) mit Jodlösung.

Sie werden feststellen, dass der mit schwarzem Papier bedeckte Teil des Blattes keine Stärke (Nahrung) aufweist.

Erklärung der Aktivität:

Die von Pflanzen durch den Prozess der Photosynthese hergestellte Nahrung (Kohlenhydrate) wird als Stärke gespeichert. Diese Stärke reagiert mit der Jodlösung zu einer blau-schwarzen Farbe. Nur die Teile des Blattes, die dem Sonnenlicht ausgesetzt waren, konnten Photosynthese betreiben und sich daher beim Test mit Jod in blau-schwarz verfärben.

2. Chlorophyll ist essentiell für die Photosynthese

Stellen Sie eine bunte Pflanze (d. h. eine Pflanze mit grünen und nicht grünen Bereichen, z. B. Croton- oder Geldpflanze) für 2 – 3 Tage in einen dunklen Raum. Dies geschieht, um sicherzustellen, dass alle Reservenahrungsmittel (Stärke) verwendet werden.

Setzen Sie diese Pflanze für sechs Stunden in die Sonne, damit die Photosynthese stattfinden kann. Dann pflücke ein Blatt von dieser Pflanze und zeichne die grünen Bereiche auf ein Blatt Papier.

Entfärben Sie nun das Blatt mit Alkohol und tauchen Sie es einige Minuten in eine verdünnte Jodlösung. Wash this leaf with water and compare it with the tracings of the leaf done earlier. It will be observed that only the green areas of the leaf could photosynthesize.

Erläuterung:
The leaf is treated with alcohol so that it loses its green colour (chlorophyll pigment) and blue-black colour (in presence of starch) obtained after treatment with iodine.

The green parts of a variegated leaf contain chlorophyll. Therefore, only these parts could photosynthesize and manufacture food. Thus, the change in colour was observed only in these parts.

3 CO2 is essential for photosynthesis

Select two healthy potted plants of nearly the same size and label them as A and B. Place them in a dark room for 2-3 days. Then, place two glass plates under both the plants. Place a watch-glass containing potassium hydroxide besides pot A. Cover both the plants by inverting separate bell jars over them. Potassium hydroxide, as we know, is used to absorb CO2. Daher ist CO2 is not available for plant A.

Now, seal the bottom of the jars to the glass plates with the help of Vaseline. This prevents the entry of CO2 into the set up. Then, place the plants under sunlight for 2 – 3 hours. Test one leaf each from both plants for the presence of starch, using alcohol and iodine (as explained in the previous activity). It will be observed that plant B has a higher amount of starch as compared to plant A

Explanation of the activity:

This happens because potassium hydroxide present besides plant A absorbs all the CO2. Therefore, plant A is not able to photosynthesize and manufacture food. Hence, the amount of starch present in plant B is higher than plant A.

Photosynthesis in a laboratory

Place an aquatic plant (hydrilla) in a beaker filled with water. Cover the plant with a transparent funnel. Then, invert a test tube over the open end of the funnel.

While inverting the test tube, make sure it does not contain any air bubbles. Place this apparatus in sunlight and observe the changes.

It will be observed that after sometime, air bubbles (O2) emerge in the test tube.

Importance of Photosynthesis and Carbon Cycle

Adaptations in Leaves for Photosynthesis

Leaves often exhibit a number of adaptations to increase the rate of photosynthesis. Some of them are as follows:

Large surface area for maximum sunlight absorption
Leaf arrangement at correct angle for maximum light
Transparent cuticle and upper epidermis to allow free entry of light
Large number of stomata for maximum exchange of gases
Thin leaves to reduce the distance between cells involved in rapid transportation
Chloroplasts concentrated at the upper layer to absorb light quickly
Extensive vein system for rapid transportation

Bedeutung der Photosynthese
• Provides food- Photosynthesis is the basis for production of food by the autotrophs, i.e. plants. All other organisms are directly or indirectly dependent on the food produced by plants for their survival.
• Provides oxygen- Oxygen is produced during photosynthesis which is the life supporting gas. All organisms are dependent on the oxygen to sustain their life.

Kohlenstoff Cycle
Carbon cycle is a series of chemical reactions in which carbon as a chemical element gets consumed by living organisms and again gets restored in the atmosphere by various means.

The steps involved in carbon cycle are:
• Autotrophs use carbon dioxide to produce carbohydrates through photosynthesis.
• These carbohydrates keep travelling from one to another organism through food chain.
• Plants and animals respire by oxidising carbohydrates to produce energy.
• In the process of decomposition, the bacteria break down the inorganic matter to release carbon dioxide back into atmosphere.
• Combustion also releases the carbon dioxide stored in fuels back to the atmosphere.


Chlorophyll ein

Chlorophyll ein is a molecule found inside the chloroplasts of photosynthesizing cells. It is able to use light energy from the sun to split a molecule of water and begin the process of photosynthesis.

Splitting a water molecule releases an electron with the energy to start turning CO₂ into glucose. Splitting the molecule of water also releases oxygen which is how photosynthesis produces oxygen.

H₂O + light energy → H⁺ + O₂ + electron

Chlorophyll ein is one of the few molecules that has the ability to use light energy in this way. Other molecules, such as chlorophyll B and carotenoids, can perform the same function but are not as efficient as chlorophyll ein.

A chlorophyll ein molecule has a specific shape that allows the molecule to absorb a range of different light waves. It does not, however, absorb green light waves but instead reflects the green light. This makes chlorophyll ein appear green and is the reason why plants are mostly green.

The process of photosynthesis can be split into two parts: the light reactions and the Calvin cycle. Chlorophyll ein is involved in the light reactions of photosynthesis.


6.1: Photosynthesis

  • Contributed by E. V. Wong
  • Axolotl Academica Publishing (Biology) at Axolotl Academica Publishing

In one way or another, the energy of sugar and fat fuel molecules is derived from photosynthesis - the conversion of solar light energy into chemical bond energy, whether directly in photosynthetic plant cells and certain photosynthetic bacteria, or indirectly by the ingestion of those plants and bacteria. Photosynthesis is a simple idea: atmospheric carbon dioxide molecules are joined with water molecules to form sugars and oxygen:

The production of usable energy from sunlight and the fixation of atmospheric carbon dioxide are two separate sets of reactions. In plants, photosynthesis takes place only in cells containing chloroplasts. Chloroplasts are organelles with an evolutionary origin suspected to be similar to that of mitochondria, and like mitochondria, chloroplasts generate ATP and use a nicotinamide-based high-energy electron carrier. There are further similarities: they both have highly folded inner membranes, though in chloroplasts, there are three membranes in all, while mitochondria only have two. Finally, an electron transport chain is embedded in the thylakoid membrane of chloroplasts, functioning very similarly to electron transport in the mitochondria. In addition to the electron transport components and ATP synthase (structurally and functionally almost identical to mitochondrial ATP synthase), the thylakoid membrane is also rich in a set of molecules that are not found in the inner mitochondrial membrane: light-absorbing pigment molecules.

In plants, these pigment molecules fall into two classes: the chlorophylls and the carotenoids (Figure (PageIndex<1>)) but only the chlorophylls can mediate photosynthesis. Photosynthetic bacteria do not contain chlorophyll, but do have carotenoid pigments that can carry out photosynthesis. Both are hydrophobic hydrocarbons that are held in place within the plane of the membrane by transmembrane proteins. Chlorophylls are easily recognizable by the very large Mg 2+ -containing porphyrin ring, while the carotenoids are long hydrocarbon chains that may or may not have small ring structures on the ends (e.g. &beta-carotene). While there is variation in the chlorophyll family, they all impart a green color to the leaf. Carotenoids, on the other hand have a much wider range of colors from yellows to reds. Both chlorophylls and carotenoids are able to absorb light energy of a particular wavelength/energy range and enter an unstable excited state. When the molecule returns to its ground state, the energy would be emitted as heat or light in an isolated situation. However within the context of the pigment arrays (antenna complex) in a living cell, most of the energy is shuttled to another pigment molecule of lower energy by resonance transfer. As described below, only one pair of chlorophyll molecules in an antenna complex will actually eject an electron as it drops from an excited state back to ground state. It is the transfer of that high-energy electron that powers photosynthesis.

Abbildung (PageIndex<1>). Chlorophyll (top) and &beta-carotene (bottom)

Chlorophyll molecules are made up of a phytol hydrocarbon tail that anchors the molecule within a membrane, and an electron- carrying porphyrin ring containing a magnesium cation. Note that the phytol tail is not drawn to scale with the porphyrin ring in Figure (PageIndex<1>). Among different types of chlorophyll, the chemical groups attached to the ring may vary, and this variation is responsible for differences in the absorption spectrum from one type of chlorophyll to the next. For example, chlorophyll a has absorption peaks at approximately 430 and 662 nm, whereas chlorophyll b has peaks at 453 and 642 nm. The difference between the two is small: at C7, there is a &mdashCH3 group on chlorophyll a, but a &mdashCHO group on chlorophyll b. Presently, there are five known chlorophylls: chlorophyll a is found in all photosynthetic organisms, chlorophyll b is only found in plants, chlorophylls c1 and c2 are found in photosynthetic algae, and chlorophyll d is found in cyanobacteria.

Carotenoids have two functions. As noted in the primary text at left, they can participate in energy transfer in toward the reaction center chlorophylls. They are also a protectant molecule, preventing reaction center auto-oxidation. Carotenoids can be highly efficient free radical scavengers due to the conjugation of alternating single-double carbon bond structures.

Photosynthesis can be divided into two mechanisms: the Lichtreaktionen, which use light energy to excite the electrons of certain chlorophylls, and participate in the electron transport chain to generate ATP and NADPH, and the dark reactions, which use that ATP and NADPH to fix carbon from CO2 into organic molecules (carbohydrates). As the name implies, the light reactions require light energy to excite the chlorophyll and begin electron transport. Dark reactions, however, do not require darkness. They are technically light-independent, but in some plants, the dark reactions run better in the light for reasons to be discussed.

The light reactions are intimately tied to the anatomy of the thylakoid membrane specifically, the arrangement of light-absorbing pigment molecules in antenna complexes, also called light-harvesting complexes (sometimes abbreviated LHC, not to be confused with the Large Hadron Collider). These pigments are held by proteins in ordered three-dimensional groups so that the pigments that absorb the highest energy light are toward the periphery, and the lowest-energy-absorbing chlorophylls are in the center (Figure (PageIndex<2>)). Sunlight is composed of a broad range of wavelengths, some of which are transiently absorbed by the pigments. After a pigment molecule absorbs a photon, the energy is released and passed on to a pigment tuned to a slightly lower energy level (longer wavelength), and from there to an even lower-energy pigment, and so on until it reaches the reaction center chlorophylls. In this way, energy from a wide range of light wavelengths/energies can all contribute to the ATP and NADPH production by the light reactions. The antenna complex is crucial because it allows the use of a greater portion of the solar light spectrum. And, as a tightly-packed three-dimensional array, photons that pass by one pigment molecule may well hit another one on its way through the array. All of these characteristics combine to increase the efficiency of light use for photosynthesis. The reaction center chlorophylls (P680 for photosystem II, P700 for photosystem I) are the only chlorophylls that actually send excited electrons into the electron transport chain. The other chlorophylls and pigments only act to transfer the energy to the reaction center.

Abbildung (PageIndex<2>). Pigment molecules are arranged in an antenna complex in the thylakoid membrane.

When excited, the reaction center chlorophyll of photosystem II (Figure (PageIndex<3>)) begins the process of electron transport. This chlorophyll is part of a protein complex that also includes a Mn-based oxygen-evolving complex (OEC), pheophytin, and a docking site for plastoquinone. Although the chlorophyll electron is the one excited by the solar energy, the origin of the electrons to keep the chlorophyll replenished comes from the splitting (oxidation) of water to O2 and 4 H + .

The OEC, or oxygen-evolving complex (also WOC, water oxidizing complex) is a metalloenzyme with a Mn4OXCa catalytic cluster, where X is the number of m-oxo-bridges connecting the metal atoms, with surrounding amino acids, especially crucial tyrosines, also playing a role in the coordination sphere of the active site. The overall complex undergoes a series of 4 oxidation state changes as the P680 chlorophylls are excited by the light energy and transfer electrons, but at present it is not known what the exact oxidation state of any given Mn atom is through this series of state changes. The crucial reaction is the formation of the O-O bond to form O2. There are two proposed models for this mechanism. One is that the O-O bond is formed when the OEC has reached its fully oxidized state, and an oxygen in a m-oxo-bridge radical state interacts with a water molecule. The other proposed mechanism is that the O-O bond forms earlier as a complexed peroxide held by the OEC center.

Abbildung (PageIndex<3>). Photosystem II (which feeds electrons into photosystem I).

The question of how a cell could generate the energy needed to split water was long a thorny issue because water is an exceptionally stable molecule. The current model suggests that the energy comes from an extremely strong oxidizer in the form of P680 + . After P680 is energized by light, an excited electron has enough energy to break away from the chlorophyll and jumps to pheophytin. Pheophytin becomes Pheo- temporarily, and the charge separation in the complex between P680 + and Pheo - helps to enhance the oxidative power of P680 + . That extraordinarily strong attraction for electrons is what allows the P680 chlorophyll to tear them away from H2O and split the water. In fact, P680 + is one of the strongest biological oxidizers known. Since four electrons must be taken to fully oxidize two water molecules and generate molecular oxygen, four photoexcitation events are needed. While the exact mechanism is still to be elucidated, it appears that the OEC helps to stabilize the water molecule during this process as well as holding onto each electron as it comes off.

Abbildung (PageIndex<4>). Change in electron energy moving through photosystems II and I. Light energy is needed in both photosystems to boost the electron energy high enough to move to the next electron carrier.

The excited electrons, moving from the OEC to P680 + to pheophytin, next move to the lipid-soluble carrier, plastoquinone. The similarity of the name with the mitochondrial carrier ubiquinone is not a coincidence. They function similarly, and as the plastoquinone takes on the electrons, it also takes on protons from the stromal side of the thylakoid membrane. The PQ moves within the membrane from pheophytin to cytochrome b6F. As the electrons are transferred to cytochrome b6f, the protons are then dropped off on the lumenal side of the membrane, increasing their concentration in the chloroplast lumen, and building a proton gradient to power ATP synthase. Cytochrom b6f passes the electrons on to plastocyanin, an aqueous-phase carrier, which shuttles the electrons to the P700 reaction center chlorophyll of photosystem I. However, after all the transfers, the energy level of the electrons is now fairly low (Figure (PageIndex<4>)) and unable to power the upcoming reactions. Since it is now on a reaction center chlorophyll, the obvious answer is to re-energize it with a bit of sunlight. This raises the electron energy sufficiently to reduce ferredoxin. Now things get a little complicated.

This part of photosynthesis can take one of two directions, the linear pathway, which generates both NADPH and ATP, and the cyclic pathway which mostly generates ATP. Most of the time, the linear pathway is taken, with the electrons on ferredoxin transferred via ferredoxin-NADPH reductase (FNR) onto NADPH. However, sometimes the cell requires significantly more ATP than NADPH, in which case, the electrons from ferredoxin are transferred back to plastoquinone via ferredoxin-plastoquinone reductase. This acts just as described above, and pumps more protons across the membrane to power the ATP synthase. ATP synthesis goes up and NADPH synthesis goes down.

Abbildung (PageIndex<5>). Photosystem I initiates electron movement through two pathways.

The ATP and NADPH generated by the chloroplast are almost exclusively used by the chloroplast itself (and not distributed to the rest of the cell) to power the dark reactions, which are energetically expensive. In fact, when the light reactions are not running due to darkness, some plant cells have mechanisms to prevent the dark reactions from using the limited resources of cellular, non-chloroplastic, respiration. The simplest method of such limitation is the pH sensitivity of rubisco (ribulose bis-phosphate carboxylase), at least in C3 plants (see below). Rubisco has a very sharp pH optimum at about pH 8.0, so while the light reactions are running and the protons are being pumped, the pH rises to about 8 and rubisco works, but in the dark, the pH drops back to its basal level close to 7.0, inhibiting rubisco activity.


Photosynthesis: What Powers the Splitting of Water? - Biologie

  1. ? the nucleus
  2. ? the mitochondrion
  3. ? the vacuole
  4. ? the endoplasmic reticulum
  5. ? the ribosome
  6. ? the chloroplast



Photosynthesis takes place in the organelle labeled
  1. ? NADP + and ADP
  2. ? NADP + and NADPH
  3. ? NADPH and ATP
  4. ? ADP and ATP
  5. ? NADP + and ATP
  1. ? the Calvin cycle
  2. ? the splitting of water
  3. ? the production of ATP
  4. ? the absorption of water


Which numered label indicates the region where the light-independent reactions take place?

The light dependent reactions take place in the membrane labeled by the number
  1. ? photosynthesis will not occur.
  2. ? photosynthesis will occur more slowly than in the light.
  3. ? ATP and NADPH will be stored until sunlight becomes available.
  4. ? the light independent reactions will continue to produce glucose
  1. ? plants must make use of respiration when light is not available.
  2. ? the ATP needed for photosynthesis is produced in the mitochondria.
  3. ? the mitochondria produce proteins essential to photosynthesis
  4. ? the mitochondria are how carbon dioxide enters the plant cell


All energy conversions, even in living cells, are very inefficient. Life can survive despite this inefficiency because
  1. ? cells require very little energy
  2. ? the sun continually provides new energy
  3. ? wastes are recycled
  4. ? water is an abundant element on Earth


The letter representing carbon dioxide could be either

The letter representing water could be either

How Photosynthesis Captures Light and Powers Life on Earth

You probably don't appreciate plants enough. It's OK — none of us do. Given that plants have been das major player in the convoluted soap opera of life that landed us on this planet, we should be thanking our leafy friends every day for our existence.

Honestly, the whole story is so tangled and complicated, we may never know the truth about how our green ancestors allowed everyone else to evolve, but one aspect of the story certainly involves photosynthesis — a plant's ability to make its own food out of sunlight.

Photosynthesis: The Key to Life

"A great way to appreciate photosynthesis is to compare Earth's atmosphere with that of our 'sister' planets," says Gregory Schmidt, professor emeritus in the Department of Plant Biology at the University of Georgia. "All three planets were most likely similar when they formed and cooled, but the atmospheres of both Venus and Mars have 95 percent carbon dioxide (CO2), 2.7 percent nitrogen (N2) and 0.13 percent oxygen (O2). Earth's air is 77 percent N2, 21 percent O2 and 0.41 percent CO2 — although that number is rising. That means there are 800 gigatons of carbon dioxide in our atmosphere, but there is another 10,000 gigatons — 10,000,000,000 tons — missing or buried in the form of fossil limestone, coal and oil."

In other words, carbon has been smuggled out of the atmosphere and into Earth's crust for billions of years, which is the only reason this planet is at all habitable by multicelled organisms.

"So, how did that dramatic atmospheric shift happen for Earth?" asks Schmidt. "There's only one answer, and it's pretty simple: Photosynthesis, the most amazing factor in Earth's evolution."

A Green Revolution

PHOTOSYNTHESIS, friends. Around a billion years after the Earth was formed, life showed up — probably first as some anaerobic bacteria, slurping up the sulfur and hydrogen that came out of hydrothermal vents. Now we've got giraffes. But there were 10,000 gigatons of steps on the road between the first bacteria and giraffes: Those ancient bacteria had to figure out a means of finding new hydrothermal vents, which led to the development of a thermal-sensing pigment called bacteriochlorophyll, which some bacteria still use to detect the infrared signal generated by heat. These bacteria were the progenitors of descendants that could make chlorophyll, a pigment that was able to capture shorter, more energetic light wavelengths from the sun and use them as a source of power.

So, in essence, these bacteria created a means to capture the energy of sunlight. The next evolutionary leap necessitated working out a means of stable energy storage — creating a sort of sunlight battery that encouraged protons to accumulate on one side of their internal membranes versus the other.

Burning Water (Photosystem II)

The true wonder of plant and algae evolution is in the fact that, at some point, these ancient chlorophyll-producing bacteria started generating oxygen. After all, billions of years ago, there was actually very little oxygen in the atmosphere, and it was toxic to a lot of early bacteria (it's still toxic to anaerobic bacteria that remain in the oxygen-free places on Earth). However, the new process of capturing and storing sunlight required the participating bacteria to burn water. Yeah, they burned that stuff that firefighters use to put out fires.

The process of burning is just oxidation — the ripping off of electrons from one atom and the transfer of those electrons to another (which is called reduction). Early photosynthetic bacteria developed a way to capture photons — basically particles of light — and use their energy to strip water of many of its protons and electrons to use for energy production.

The Breakthrough of Breakthroughs happened 3 billion years ago was when photosynthetic machinery was perfected to the point that chlorophyll could split two water molecules at the same time — these days we call this a "Photosystem II chlorophyll-protein cluster."

Green Batteries (Photosystem I)

Cyanobacteria evolved once these photosynthetic bacteria figured out how to burn water and store the energy from that chemical reaction. In photosynthesis, Photosystem II (water burning) can't really be sustained without the second stage, Photosystem I, which involves taking the electrons swiped off the water molecules in the first step and making use of them before they decay. Photosystem I does this by sticking these electrons on a chemical assembly line so the organism is able to retain that hard-earned energy, which is then used to convert CO2 into sugar for the bacteria to use as food.

The Dawn of Chloroplasts

Once Photosystems I and II were sorted out, cyanobacteria took over the oceans, and because oxygen was their waste product, it became plentiful in Earth's atmosphere. As a result, many bacteria became aerobic — that is, they required (or at least tolerated) oxygen for their metabolic processes. About a billion years later, protozoa evolved as anaerobes (an organism that doesn't need oxygen for growth) scarfing up aerobic bacterial prey. At least once, the bacteria was not completely digested, but stayed within the cell and ended up helping the oxygen-intolerant anaerobic organism cope with the aerobic environment. These two organisms stuck together, and eventually the prey organism evolved into a cell organelle called mitochondria.

A similar scenario occurred with cyanobacteria around 1 billion years ago. In this case, an aerobic protozoan probably gobbled up a cyanobacterium, which ended up setting up shop inside its host, resulting in a small, membrane-bound organelle common to all plants: the chloroplasts.

As algae and multicellular plants evolved and benefited from plentiful CO2 and increasing oxygen in Earth's atmosphere, chloroplasts became the place where photosynthesis — Photosystem I, II and even more complicated stuff — went down in each cell. Just like mitochondria, they have their own DNA and spend their time busily harvesting light for the plant, creating the entire foundation for life on Earth.

Earth's first ice age was probably the result of cyanobacteria making so much oxygen and gobbling up so much carbon in the atmosphere that temperatures plummeted.


MECHANISM OF WATER OXIDATION

Although the geometry of the Mn4Ca cluster and its ligand field characteristics are now known at a resolution of 1.9 Å, there is uncertainty about the S state in which it lies. Because free electrons are generated in the crystal during the collection of X-ray-diffraction data, it is likely that the Mn cluster is reduced to levels lower than that of the S0 Zustand. From quantum mechanical calculations (density functional theory [DFT], QM/MM), Luber et al. (2011) has concluded that the Umena et al. (2011) model most likely corresponds to a mixture of S0, S−1, and S−2 oxidation states.

Despite this, the Ferreira et al. (2004) cubane model and its subsequent refinements (Sproviero et al. 2007 Dau et al. 2008 Siegbahn 2008) have provided a basis for developing chemical mechanisms for water oxidation and dioxygen formation. The Mn ion outside the cubane (Mn4) is adjacent to the Ca 2+ , and their positioning toward the side chains of several key amino acids, including the redox-active YZ, suggests that they provide the “catalytic” surface for binding the two substrate W molecules and their subsequent oxidation. One well-championed mechanism (Messinger et al. 1995 Pecoraro et al. 1998 McEvoy and Brudvig 2004, 2006 Brudvig 2008) suggests that the substrate water, associated with Mn4, is deprotonated during the S-state cycle and converted to a highly electrophilic oxo (see Fig. 5A). This mechanism is dependent on Mn4 being converted to a high oxidation state (possible Mn[V]) during progression to the S4 state just before O–O bond formation. The other three Mn ions also progress to high valency states (Mn[IV]) (e.g., S0 (Mn[III], Mn[III], Mn[III], Mn[IV]) to S4 (Mn[V], Mn[IV], Mn[IV], Mn[IV]) and act as a further “oxidizing battery” for the Mn(V)-oxo species in the S4 state (see Fig. 5A). In this way, the reactive oxo is electron deficient, so much so that it makes an ideal target for a nucleophilic attack by the oxygen of the second substrate water bound within the coordination sphere of Ca 2+ (see Fig. 5A). Deprotonation of the substrate waters would be aided by nearby bases such as CP43 and Arg357 and by the weak Lewis acidity of Ca 2+ . An alternative mechanism proposed by Siegbahn (2006, 2008, 2012), based on in-depth DFT calculations, suggests that an oxyl radical forms within the Mn3CaO4 cubane and O–O bond formation therefore involves bridging oxo species (see Fig. 5B).

Two different mechanisms for the final step of the S-state cycle when the dioxygen bond of O2 gebildet. (EIN) Mechanism 1. The very high oxidation state of the Mn-cluster, particularly the Mn ion outside the Mn3CaO5 cubane, leads to a high electron deficient oxo (after deprotonation of water molecules during the S-state cycle). Nucleophilic attack by the hydroxide of the second substrate water within the coordination sphere of Ca 2+ leads to O2 Formation. (B) Mechanism 2. The formation of an oxyl radical on one of the bridging oxygen atoms of the cubane leads to a radical attack of an adjacent oxo-ligand within the Mn3CaO4 cubane. The fifth oxo linking the Mn outside the cubane to an Mn of the cubane is not shown.


ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS

Although some progress has been made in mimicking photosynthesis in artificial systems, researchers have not yet developed components that are both efficient and robust for incorporation into a working system for capturing and storing solar energy in chemical bonds on a large scale, as does natural photosynthesis. To date, the main focus of research has been on designing and synthesizing molecular catalysts that can be linked to a light-driven charge-separation system (Tran et al. 2012). Dyes have been used for the latter, but inorganic semiconductors offer a more realistic and robust approach for providing the oxidizing and reducing potentials necessary to split water and power reductive chemistry.

Insights gleaned from the recent structural determination of PSII have initiated considerable efforts to identify artificial catalytic systems for water oxidation and hydrogen production using solar energy (Eisenberg and Gray 2008). The hydrogen produced could be used directly as a source of energy but could also be used, as it is in natural photosynthesis, to reduce carbon dioxide to other types of fuels such as methane and methanol. The challenge is to have a molecular arrangement such that the artificial catalysts efficiently use light energy to split water and concomitantly provide reducing potential for hydrogen gas production or CO2 die Ermäßigung. It has been demonstrated that catalysts based on Mn or Mn doped with Ca are capable of water splitting and generating dioxygen (Limberg et al. 1999 Tagore et al. 2008 Najafpour et al. 2010 Zaharieva et al. 2011 Gao et al. 2012). Frei and coworkers (Jiao and Frei 2010) reported that nanostructured manganese oxide clusters supported on mesoporous silica efficiently evolved oxygen in aqueous solution under mild conditions.

Complementing the work on Mn has been the earlier discovery that ruthenium-based catalysts, such as the “blue dimer,” that can photooxidize water to dioxygen (Gersten et al. 1982 Liu et al. 2008 Romero et al. 2008), and the recent spectacular work of Duan et al. (2012), which has reported a rationally designed Ru-based catalyst with an unprecedented turnover rate of 300 per sec, comparable to that of PSII. But perhaps the most practical catalysts for water splitting are based on Co, a relatively abundant element. Kanan and Nocera (2008) have described a self-assembling catalyst composed of Co and phosphate ions, which can efficiently produce molecular oxygen from water at neutral pH with a low overpotential akin to that which operates in the OEC of PSII. Dau and colleagues (Risch et al. 2009) have revealed important structural details of this Co-based catalyst and found it to have a molecular organization remarkably similar to the Mn3Ca cubane of PSII. More recently, Yin et al. (2010) reported a water-splitting catalyst comprised of a Co4Ö4 core stabilized by oxidatively resistant polytungstate ligands that, like the Nocera (Reese et al. 2011) catalyst, is also self-assembling.

Hematite (α-Fe2Ö3) is a semiconductor that is also capable of photochemically splitting water to molecular oxygen. It has a favorable optical band gap (Eg = 2.2 eV), excellent chemical stability in aqueous environments, natural abundance, and low cost (Sivula et al. 2011). Indeed, hematite has been theoretically predicted to achieve a water oxidation efficiency of 16.8% (Murphy et al. 2006). However, the reported efficiencies of hematite are lower than this predicted value, mainly due to the very short lifetime of photo-generated charge carriers (<10 ps), short hole-diffusion length (2–4 nm), slow kinetics, low flat-band potential, and significant reduction in the absorption cross-section at wavelengths approaching the band-gap value. Another fundamental limitation of the hematite system is the need for externally applied bias because the conduction band of hematite is lower than the potential required to reduce protons to hydrogen. Nevertheless, it is a system that is receiving considerable attention at the present time (Tran et al. 2012).

The next step will be to couple these oxygen-producing systems to another catalyst that will use the protons and high-energy electrons derived from the water-splitting reaction to produce hydrogen gas or reduce carbon dioxide. In the case of the former, considerable progress is being made (Wang et al. 2012), in part by mimicking the natural hydrogenase enzymes found in a wide variety of microorganisms (Tran et al. 2010). In addition, a number of inorganic catalysts have been identified with activities that are almost as efficient as platinum. One such class of catalysts are based on sulfides of Mo and W (Zong et al. 2011 Merki and Hu 2011) and another is an alloy composed of Ni, Mo, and Zn (Reece et al. 2011). Identifying catalysts for the reduction of carbon dioxide, however, is more difficult because multielectron reactions are required and the emergence of catalysts for generating useful carbon fuels will require considerable effort (Fujita 2000 Arakawa et al. 2001).

The most successful coupling of catalysts using a semiconductor for light capture and charge separation was reported by Nocera and colleagues (Reece et al. 2011). They used a triple-junction amorphous Si wafer as the semiconductor, the CoPi catalyst for water splitting, and the NiMoZn alloy for the cathodic hydrogen-producing catalyst as shown in Figure 6. This latest discovery is a major step toward the development of an efficient, robust, low-cost, and scalable photocatalytic device for water splitting to generate molecular hydrogen using solar energy.

Diagramatic representation of Nocera's (Reece et al. 2011) photocatalytic device for water splitting, consisting of a triple n-junction amorphous silicon wafer, Co-based oxygen-evolving catalyst (OEC), and a NiMoZn H2-evolving catalyst as reported in Reece et al. (2011).


Schau das Video: Fotosynthese und Zellatmung. Erklärvideo. Sontak Blog (Kann 2022).