Fotosintēze

Organisko vielu aprite augā Fotosintēze Organisko vielu aprite augā (pēc Vītola 1975)

Fotosintēze 1771. gads Dž. Pristlija eksperiments  

Fotosintēze Fotosintēze - gaismas enerģijas transformācija organisko vielu ķīmiskajā enerģijā, izmantojot oglekļa dioksīdu un ūdeni. Fotosintēze raksturīga zaļajiem augiem un fotosintezējošām baktērijām.

Redzamā gaisma – elektromagnētiskais starojums Fotosintēze Redzamā gaisma – elektromagnētiskais starojums

Vaskulārajos augos fotosintēze notiek hloroplastos. Hloroplasts Vaskulārajos augos fotosintēze notiek hloroplastos.

Fotosintēze

Foto no: http://www.emc.maricopa.edu/.../BIOBK/BioBookPS.html Fotosintēze Kāpēc augi ir zaļi? Foto no: http://www.emc.maricopa.edu/.../BIOBK/BioBookPS.html

Fotosintēze Pigmenti Hlorofils – salikts esteris • Šķīst – etilspirtā, acetonā, ēterī, benzolā • Reaģējot ar sārmiem: hlorofils  hlorofilids • Reaģējot ar skābēm: hlorofils  feofitins • Albīnisms: hlorofils nesintezējas auga ģenētisko īpašību dēļ • Hloroze: Mg, Fe u. c. minerālelementu trūkums • Etiolācija: trūkst gaisma • Gaismas absorbcijas max. hla: 440, 660 nm; hlb: 460; 640 nm • Fluorescence: 668 nm

Hlorofila gaismas absorbcijas spektrs

Fotosintēzes pigmenti Hlorofils Acer campestre– lauku kļava Urtica dioica – lielā nātre Hepatica maxima – lielā vizbulīte Attēli no: http://www.uni-graz.at/~oberma/baum-dias/acer-campestre-3.jpg, http://www.skalnicky.cz/jpeg/Hepatica%20maxima%20fotoJ%20Peters.jpg, http://ftp.funet.fi/pub/sci/bio/life/plants/magnoliophyta/magnoliophytina/magnoliopsida/urticaceae/urtica/dioica-2.jpg

Fotosintēzes pigmenti Karotinoīdi β karotīns Karotinoīdi: tetraterpēni Šķīst: acetonā, benzolā, hloroformā Gaismas absorbcijas max.: 400-500 nm Karotinoīdu fizioloģiskā nozīme 1.   Saista h (palīgpigments) 2.   Novērš hlorofila sadalīšanos 3.   Piedod ziedlapām, augļiem u. c. krāsu 4.   -karotīna hidrolīzes rezultātā sintezējas A vitamīns.

Hlorofila un karotinoīdu gaismas absorbcijas spektrs Fotosintēze Hlorofila un karotinoīdu gaismas absorbcijas spektrs

Fotosintēzes pigmenti Karotinoīdi   Acer palmatum – Japānas kļava rudenī Acer saccharum– cukura kļava rudenī Daucus carota– parastais burkāns Foto no: http://www.andrews.edu/~rjo/Photographs/Fall%20sugar%20maple%20leaves.JPG, http://www.photoseek.com/wa1usa.html http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/schaugarten/DaucuscarotaL/BDaucuscarotaL2.jpg

Fotosintēzes pigmenti Fikobilīni Fikobilīni (sārtaļģēs, zilaļģēs) Fikobilīni – tetrapiroli • Šķīst: ūdenī pēc autolīzes (nešķīst – organiskos šķīdinātājos) • Gaismas absorbcijas maksimums: 500-650 nm Hromatiskā adaptācija – pigmentu pielāgošanās gaismas apstākļiem ūdenskrātuvēs: • 34 m dziļumā nav sarkanā gaisma • 177 m dziļumā nav arī dzeltenā gaisma • 322 m dziļumā nav arī zaļā gaisma • >500 m dziļumā nav arī zili violeta gaisma

Fotosintēzes pigmentu absorbcijas spektri Foto no: http://www.emc.maricopa.edu/.../BIOBK/BioBookPS.html

Fotosintēzes pigmenti Fikobilīni   Sārtaļģe fikoeritrīns Cianobaktērijas fikocianīns Foto no: http://www.ucmp.berkeley.edu/protista/rhodophyta.html, http://user.uni-frankfurt.de/~schauder/cyanos/pleurof_bg.jpg

Antociānu fizioloģiskā loma augos Pigmenti Antociāni (vakuolās) ·      Antociāni - glikozīdi ·      Šķīst : ūdenī ·      Gaismas absorbcijas max.: dzeltenajā un zaļajā spektra daļā ·       Antociāni fotosintēzē nepiedalās (gaismas enerģija  siltuma enerģijā)  Antociānu fizioloģiskā loma augos 1.  Termoregulācija 2.  Sekmē ogļhidrātu sintēzi augos 3.  Palielina saistītā ūdens daudzumu 4.  Kalnu augos daudz antociānu  

Antociāni Pigmenti Fagus sylvatica – Eiropas dižskābardis Acer – ‘Purpurea’ Acer – kļava Rubus plicatus – krokainā cūcene Foto no: http://www.littlemiami.com/LMI%20Levy%20Photographs/NFP-1-4%20Frosted%20Red%20Maple%20Leaf-John%20Bryan%20State%20Park-Oh.jpg http://www.biologie.de/biowiki/Bild:Brombeere.jpg, http://www.kurowski.pl/foto/fagus_sylvatica_atropunicea_purpurea.jpg

(1-500 hloroplastu vaskulāro augu lapu šūnā) Hloroplasti (1-500 hloroplastu vaskulāro augu lapu šūnā) 1 hloroplastā: 40 – 50 granas; 1 granā: 50 – 60 tilakoīdu

Hloroplasti Zaļaļģēs – lentveida, diskveida, zvaigžņveida hloroplasti. Ir tilakoīdi, nav granas. Sārtaļģēs – hloroplasti ar tilakoīdiem. Cianobaktērijās (zilaļģēs) nav hloroplastu. Citoplazmā lamelāras membrānas

Fotosintēzes gaismas reakcijas

Fotosintēze Fotosintēzes gaismas reakcijas

Fotosistēmas darbības shēma Fotosintēze Fotosistēmas darbības shēma Gaismas kvantus saista visi pigmenti, bet gaismas enerģijas → ķīmiskajā – fotosistēmas centrā hla Foto no: http://www.botany.uwc.ac.za/ecotree/photosynthesis/images/photosystemmove1.gif

Redzamās gaismas enerģija Krāsa Viļņu garums nm Enerģija 1 einšteinā 1 kvanta enerģija eV Sarkana 647-740 40 1,77 Oranža 585-647 44 1,91 Dzeltena 550-585 48 2,07 Zaļa 491-550 58 2,31 Zila 424-491 62 2,61 Violeta 400-424 72 3,10

Gaismas kvantu saistīšana hlorofila molekulā Elektronu enerģētiskie līmeņi hlorofila molekulā

Fotosintēzes gaismas reakcijas

Fotosintēzes gaismas reakciju norise Gaismas kvantu saistīšana un ierosinātas hlorofila molekulas (hl*) izveidošanās Elektronu pārnešana no hl* uz akceptoru Hlorofila molekulas reģenerācija 4. Saistītās enerģijas izmantošana ATP un NADPH sintēzei

Fotosintēzes gaismas reakcijas

Fotosintēzes gaismas reakcijas

Fotofosforilācija

Fotosintēzes gaismas un tumsas reakcijas Stromā Tilakoīdos O2 (CH2O) ATP NADPH hγ Fotoķīmiskās reakcijas Bioķīmiskās reakcijas 2H2O CO2

Quercus robur – parastais ozols Fotosintēze C3 tips Hepatica nobilis – zilā vizbulīte Pinus sylvestris – parastā priede Quercus robur – parastais ozols

Foto no: http://www.emc.maricopa.edu/.../BIOBK/BioBookPS.html Fotosintēze CO2 asimilācija + CO2 saista RbBP (ribulozobifostāts), ferments RbBP-karboksilāze. FGA (fosfoglicerīnaldehids, 3 C atomi) – pirmais savienojums (ogļhidrāts), kas sintezējas C3 tipa fotosintēzes tumsas reakcijās. Foto no: http://www.emc.maricopa.edu/.../BIOBK/BioBookPS.html

C3 tipa fotosintēzes reakcijas (Kalvina cikls) 5/6 FGA molekulu → CO2 akceptora RbBP sintēzei 1/6 FGA molekulu → fruktozes, cietes, saharozes u.c. sintēzei

C3 tipa fotosintēzes tumsas (bioķīmiskās) reakcijas

Lapa kā fotosintēzes orgāns C4 tipa augs C3 tipa augs Attēls no: http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/C4leaf.gif

C4 tipa fotosintēzes reakciju shēma Mezofila šūnās → karboksilācija – CO2 piesaiste FEP (fosfoenolpiruvāts), ferments FEP-karboksilāze. Oksāletiķskābe → ābolskābe (4 C atomi), pirmie fotosintēzes tumsas reakciju produkti, tāpēc C4 tipa reakcijas. Vainaga šūnās → dekarboksilācija, CO2 → C3 cikla reakcijās. Attēls no: http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/C4leaf.gif

Fotosintēze C4 tips Panicum miliaceum Zea mays – parastā kukurūza Saccharum officinarum Attēls no: http://www.expasy.org/spotlight/images/sptlt057_1.jpg Attēls no: http://www.botanik.uni-karlsruhe.de/garten/fotos-hassler/Panicum%20miliaceum%20BotKA%20S2.jpg Attēls no: http://www.nybg.org/bsci/belize/Saccharum_offininarum_1.jpg

Fotosintēze Jaukts C3-C4 tips Lycopersicum esculentum – ēdamais tomāts Nicotiana tabacum – parastā tabaka Vitis labrusca – Amerikas vīnkoks Attēls no: http://www2.mpiz-koeln.mpg.de/pr/garten/schau/Lycopersiconlycopersicum/BLycopersiconlycopersicum1.jpg Attēls no: http://www.chili-balkon.de/solanaceae/bilder/nicotiana_tabacum.jpg Attēls no: http://www.newfs.org/nurscat05/pix/Vitis-labrusca9150-Cathe.jpg

CAM tipa fotosintēzes reakciju shēma CAM tipa fotosintēzes reakcijas = C4 reakcijām, tikai karboksilācija un dekarboksilācija atdalītas laikā nevis telpā Attēls no: http://www.cabnr.unr.edu/cam/images/Education/CAMDayNight.jpg

Fotosintēze CAM tips Yucca filamentosa – Šķiedru juka Sedum acre – kodīgais laimiņš Crassula aquatica – ūdeņu biezlape Attēls no: http://magnar.aspaker.no/Sedum%20acre.jpg Attēls no: http://www.bd.lst.se/publishedObjects/10001547/Crassula_aquatica.jpg Attēls no: http://www.tarbes.fr/espaces_verts/images/photo%20economie%20eau/yucca%20filamentosa.jpg

CAM metabolisms Classic CAM plants. Saguaro Cacti (Carnegiea gigantea) in Sonora

C3 – CAM metabolisms )This is a Welwitschia growing in the Namib desert of South Africa. It has only two strap-like leaves (highly dissected by wind in this photo) and gets all of its water from fog. It is a Gymnosperm and exhibits C3-CAM intermediate metabolism

Gaismas enerģijas izmantošana fotosintēzē Fotosintēze Gaismas enerģijas izmantošana fotosintēzē ~10% ~2%

Fotosintēzes bioloģiskā nozīme Gaismas enerģijas transformācija ķīmisko saišu enerģijā (1-2% Saules enerģijas) Sintezējas organiskas vielas (~ 2 × 1011 t gadā) Atjauno skābekļa daudzumu uz Zemes Novērš CO2 uzkrāšanos atmosfērā Novērš piesārņojumu un spēj regulēt klimatu uz Zemes