Φωτοσύνθεση Συμβαίνει στους αυτότροφους οργανισμούς Βολικά διαχωρίζεται σε φωτεινές αντιδράσεις και σκοτεινές αντιδράσεις Θα ασχοληθούμε κυρίως με τις φωτεινές αντιδράσεις που είναι συγκριτικά πιο εύκολες στη κατανόηση. ΓΚ Παπαδόπουλος

Σύνδεση βιολογίας και χημείας Στη φωτοσύνθεση αναγκαστικά θα εισαγάγουμε αρκετές έννοιες από τη φυσική και τη χημεία. Θα δούμε, π.χ., τη χρησιμότητα της έννοιας της ελεύθερης ενέργειας μιας χημικής αντίδρασης ή μιας διεργασίας, γενικότερα. Θα θυμηθούμε, επίσης, ότι το φως έχει και σωματιδιακές και κυματικές ιδιότητες, και ότι η ενέργειά του εξαρτάται από τη συχνότητά του. Τέλος, θα δούμε τον σημαντικό ρόλο των μεταλλικών κατιόντων (Fe, Mg, Mn) σε πάρα πολλές βιολογικές διεργασίες.

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Η φωτοσύνθεση και η κυτταρική αναπνοή χρησιμοποιούν η κάθε μια τα προϊόντα της άλλης. Ένα εκπληκτικό παράδειγμα οικονομίας σε πλανητικό επίπεδο! Εντελώς παράδοξα, οι μηχανισμοί παραγωγής ενέργειας είναι και στις δύο περιπτώσεις οι ίδιοι (η μεμβράνη των μιτοχονδρίων ή των θηλακοειδών να χρησιμοποιείται ως μπαταρία Η+). Όμως, οι πρώτες ύλες και η αρχική πηγή ενέργειας είναι διαφορετικές (ορατό φως και χημική ενέργεια καύσιμων μορίων από τις τροφές, αντίστοιχα). → ΑΤΡ

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Συνολική αντίδραση: 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 Άρα, το αέριο οξυγόνο στη φωτοσύνθεση προκύπτει από τη διάσπαση του νερού, ενώ το σάκχαρο από το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό.

Απλή θεώρηση της φωτοσύνθεσης Αποτελείται από τις φωτεινές αντιδράσεις, στις οποίες με τη βοήθεια του ορατού ηλιακού φωτός διασπάται το νερό και διεγείρονται e- ώστε περνώντας από μια αλυσίδα μεταφοράς e- να αντληθούν Η+ προς την άλλη πλευρά της μεμβράνης των θηλακοειδών για να παραχθεί ΑΤΡ και NADPH, που θα χρησιμοποιηθούν στις σκοτεινές αντιδράσεις. τις σκοτεινές αντιδράσεις (κύκλο του Calvin) στις οποίες τα μόρια CO2 και H2O (με τη βοήθεια ΑΤΡ και NADPH) ενώνονται για τον σχηματισμό σακχάρου. Σημειώστε τον ίδιο μηχανισμό παραγωγής ΑΤΡ, με τους χλωροπλάστες να είναι μπαταρία Η+!!

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Συνέργεια φωτεινών και σκοτεινών αντιδράσεων της φωτοσύνθεσης Κύκλος του Calvin: πολλές πολύπλοκες αντιδράσεις που δεν θα μας απασχολήσουν

Το φως ως πακέτα ενέργειας και ως εγκάρσιο κύμα (Planck και Einstein) Ενέργεια φωτός, Ε = h · ν όπου h = σταθερά του Planck = 6,626 × 10-34 Joule · s ν = συχνότητα του φωτός. Ισχύει c = ν · λ, όπου c = 3 x 108 m/s, ταχύτητα φωτός στο κενό, λ = μήκος κύματος φωτός, άρα Ε = h · c/λ

Ενέργεια φωτονίων ορατού φωτός Ιώδες φως λ = 400 nm, E = h c/λ = 6,626 × 10-34 Joule s x (3 x 108 m/s )/ 400 x 10-9 m = 19,878/4 x 10-34 x 1015 Joule = 4,97 x 10-19 Joule Αυτή είναι η ενέργεια ενός κβάντου ιώδους (μωβ) φωτός. Ένα mol κβάντων φωτός με λ = 400 nm θα έχει ενέργεια ίση με 4,97 x 10-19 J x 6,023 x 1023 φωτόνια /mol = 2,99 x 105 J /mol ~ 300 kJ /mol Ενώ για κόκκινο φως (λ = 700 nm) η ενέργεια θα είναι ~ 180 kJ/ mol (αντιστρόφως ανάλογη του λ) Η μεταφορά ενέργειας είναι ένα προς ένα (ένα κβάντο φωτός διεγείρει ένα μόριο χλωροφύλλης)

Φτάνει ένα κβάντο κόκκινου φωτός για τη σύνθεση ενός μορίου ΑΤΡ; ADP + H2PO4- ⇌ ATP + H2O, ΔGo΄ = + 30 kJ/mol Σε πρότυπες συνθήκες η τιμή της ΔG αυτής της αντίδρασης είναι 30 kJ /mol, αλλά σε πραγματικές κυτταρικές συνθήκες για είναι ~ 50 kJ/mol (Berg και συν. Βιοχημεία, 7η έκδοση, σελ. 440, ΠΕΚ, 2015). Άρα, ένα κβάντο κόκκινου φωτός έχει υπερ-αρκετή ενέργεια ώστε ο μηχανισμός των χλωροπλαστών που την απορροφά (δηλ. τα Φωτοσυστήματα Ι και ΙΙ μέσω της χλωροφύλλης) να την χρησιμοποιήσει για τη σύνθεση ενός μορίου ΑΤΡ.

Οι χλωροφύλλες απορροφούν στο μωβ-μπλε και στο πορτοκαλί-κόκκινο ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Οι χλωροφύλλες απορροφούν στο μωβ-μπλε και στο πορτοκαλί-κόκκινο

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Οι χλωροφύλλες σχηματίζονται από ένα σύμπλοκο συναρμογής μεταξύ ενός μορίου πορφυρίνης και ενός ιόντος Mg2+.

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Προβληματιστείτε, γιατί δεν παρατηρείται φθορισμός όταν ακτινοβοληθούν πράσινα φύλλα;

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Τα ανώτερα φυτά έχουν δύο φωτοσυστήματα (Ι και ΙΙ), που συνεργάζονται μεταξύ τους, για την διεκπεραίωση των φωτεινών αντιδράσεων  Ο2

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων της φωτοσύνθεσης: απλά θαυμάστε την! ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων της φωτοσύνθεσης: απλά θαυμάστε την! Το μαγγάνιο, Mn, είναι σημαντικό για την διάσπαση του νερού στο Φωτοσύστημα ΙΙ.

Εστιαστείτε στην ομοιότητα των μηχανισμών και όχι στα ονόματα ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Εστιαστείτε στην ομοιότητα των μηχανισμών και όχι στα ονόματα των συνιστωσών των αλυσίδων μεταφοράς ηλεκτρονίων.

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010

Ανακεφαλαίωση της φωτοσύνθεσης Συνθήκη επιβίωσης για όλους τους οργανισμούς, αυτότροφους και ετερότροφους Φωτεινές και σκοτεινές αντιδράσεις συνεργάζονται, χωρικά και χρονικά, ώστε να μετατρέπεται η οπτική ενέργεια του ορατού φωτός σε χημική ενέργεια αποθηκευμένη σε μόρια σακχάρου, με πρώτη ύλη το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό! Ο μηχανισμός παραγωγής ΑΤΡ (για τη μετέπειτα σύνθεση σακχάρου) είναι ίδιος με τις οξειδώσεις (καύσεις)

Ανακεφαλαίωση της φωτοσύνθεσης (συνέχεια) Η μεγαλύτερη ποσότητα αερίου Ο2 στην ατμόσφαιρα της γης παράγεται από φωτοσυνθετικά φύκη που βρίσκονται στα πρώτα 70 μέτρα των ακτών! Άρα, οι καθαρές ακτές είναι όρος επιβίωσης του πλανήτη. Η μεγαλύτερη ποσότητα αερίου Ο2 από ανώτερα φυτά του πλανήτη μας προέρχεται από το τροπικό δάσος του Αμαζονίου. Επίσης σημαντικό για την επιβίωση του πλανήτη! Το μέρος εκείνο του φαινομένου του θερμοκηπίου που αφορά στην αυξημένη συγκέντρωση CO2 στην ατμόσφαιρα μπορεί να αντιμετωπιστεί με την φύτευση περισσότερων αυτοφυών αειθαλών δένδρων (με επιπρόσθετο κέρδος την επιπλέον παραγωγή Ο2).