Fotosyntéza 3 Ondřej Prášil
[email protected] 384-340430
Historie fotosyntézy Jan Baptista Van Helmont 1640 “vážení vrby“ 80 kg
5 let
100 kg
99,94 kg
John Priestley 1733-1804
flogiston
objev kyslíku flogiston
Jan Ingenhousz 1730-1799 světlo je nezbytné pro fotosyntézu rostliny dýchají
Experiments upon Vegetables, Discovering Their great Power of purifying the Common Air in the Sun-shine, and of Injuring it in the Shade and at Night. To Which is Joined, A new Method of examining the accurate Degree of Salubrity of the Atmosphere (kniha, 1779)
Odkud pochází kyslík? rozvoj poznání 1771 – 1804 Jean Senebier 1742 – 1809: role CO2 ve fotosyntéze M.Bertholet 1748-1822 Nicolas de Saussure (1767- 1845): role H2O Rovnice fotosyntézy na začátku 19.století (neznali chemické vzorce, zákony zachování hmoty..) oxid uhličitý + voda + světlo organická hmota + kyslík
Jean Baptiste Boussingault 1864 jaký je redoxní stav uhlíku? CO2/O2~1 C ve formě uhlovodíků (H:O = 2:1), role průduchů
Julius von Sachs v listech se hromadí škrob pouze po osvětlení
6CO2 + 6H2O
C6H12O6 + 6O2
Theodore Engelmann 1894
Cladophora, vláknitá řasa a pohyblivé baktérie, citlivé na kyslík
Spirogyra vláknitá řasa + pohyblivé baktérie, citlivé na kyslík
Mechanismus fotosyntézy? počátek 20. století: CO2 + H2O -> CH2O (formaldehyd) každá molekula chl je katalyzátorem reakce Wilstatter a Stoll
Fotosyntéza: světlem indukované oxidačně redukční reakce Cornelius van Niel, 30.léta 20.století Holandský mikrobiolog, Stanford University, Kalifornie CO2 + 2H2A (CH2O) + 2A + H2O fotolithoautotrofní bakterie 2 fyzicky a časově oddělené redoxní reakce 2H2A 2A + 4e- + 4H+ CO2 + 4e- + 4H+ (CH2O) + H2O kyslík nepochází z CO2 ale z H2O
Robert Hill, Cambridge 1930 Obnovení fotosyntetických aktivit v izolovaných chloroplastech po přidání vhodných akceptorů elektronů „Hillova reakce“ 2H2O + 4Fe3+ O2 + 4Fe2+ + 4H+ Měřil kyslík změnou barvy hemoglobinu
Blackman 1924 Při nízkých intenzitách světla (A) – když světlo je limitující – teplota nemá na fotosyntézu vliv. Proto Q10 = 1 Při vysokých intenzitách světla (B) – když světlo není limitující – teplota má vliv na fotosyntézu. Rychlost fotosyntézy se při každém zvýšení teploty o 10°C zdvojnásobí. Proto Q10 = 2 Závěr Fotosyntéza se skládá ze dvou reakcí ... I Reakce závislá na světle Fotochemická, nezávislá na teplotě (Q10 = 1) II Reakce na světle nezávislá („Temnotní" reakce) Enzymatická, má Q10 » 2
Ambientní koncentrace CO2 = 0.035% nebo 350 ppm. Pozorování: CO2 limituje rychlost fotosyntézy při vysokých intenzitách světla (C), když světlo není limitující. Závěr Fixace uhlíku probíhá v reakci, která není na světle závislá. Je to enzymatický proces
Robert Emerson, William Arnold California Institute of Technology 1932 použili krátké (sec) záblesky – synchronizace reakcí kvůli odvození kinetických konstant vývoj kyslíku měřili manometricky
fotochemická reakce
Závěr: fotosyntéza zahrnuje světelné i temnotní reakce temnotní reakce limitují při vysoké intenzitě
enzymatická reakce
Robert Emerson, William Arnold California Institute of Technology 1932 zjistili kolik O2 se vyvine na jeden chlorofyl předpoklad: 1 O2 se vyvine z jednoho chlorofylu
?
?
Chlorella 1 O2 ~ 2500 chl Fotosyntetická jednotka Gaffron a Wohl, 1936
Fotosyntetická jednotka Gaffron a Wohl, 1936
Maximální kvantový výtěžek vývoje kyslíku „In a perfect world photosynthesis must be perfect“
Proč je důležitý? -stanovuje maximální možnosti -ukazuje na omezení ve využití světla
Otto Warburg
definice = moly produktu / moly absorbovaných fotonů kvantový požadavek = 1/ kvantová účinnost () : energie uložená v produktu / energie absorbovaná Maximální kvantový výtěžek Otto Warburg, 20.léta:
= 0.25 q/CO2 (3-4 fotony, jedna fotoreakce)
Emerson, 50.léta:
= 0.12 - 0.10 q/CO2 (8 fotonů, 2 fotosystémy)
účinnost () : energie uložená v produktu / energie absorbovaná účinnost fotochemických procesů může být až 0.95 CO2 + H2O 1/6 glukózy + O2 Standardní volná energie uložená ve fotosyntéze G0 = 1/6 G0f (glukóza) + G0f (O2) - G0f (H2O) - G0f (CO2) G0 = 1/6 (-914,54) +(0) – (237,19) – (-394,38) G0 = +479,1 kJ mol-1 Světlo:
E (QR)
hc
NA
Warburg QR = 3 E = 528,5 kJ mol-1 Účinnost 91 %
„In a perfect world photosynthesis must be perfect“
Emerson QR = 10 E = 1761,4 kJ mol-1 Účinnost 27 % (maximální). Reálně ~ 5%
Emerson & Lewis, 1942 Měření vlnové závislosti kvantového výtěžku fotosyntézy „Red drop“
Emersonovo zvýšení (enhancement) výtěžku (1957)
Jevy „red drop“ a „red enhancement“ naznačují, že existují 2 různé fotochemické reakce Blinks, Meyers, French – pouze 1 monochromátor. Ukázal, že zvýšení výtěžku nastane i po intervalu msec – sec! Tedy obě reakce interagují produky chemických reakcí a ne excitovanými stavy pigmentů
Haxo a Blinks, ~1950 „rychlá“ kyslíková elektroda zelené řasy
ruduchy
chlorofyly – téměř neúčinné pro fotosyntézu
Kyslíková elektroda elektrochemická redukce O2
katoda: O2 + 4H+ +4e- 2(H2O) anoda: 4Ag 4Ag+ + 4eAg+ + Cl-AgCl I = nFAJO2
proud je úměrný toku kyslíku n=4 F Faradayova konst. A plocha elektrody JO2 tok kyslíku
U –0,65V
Clarkova elektroda – teflonová nebo silikonová membrána, pomalá (0,01-0,1 sec) „Rychlá“ elektroda – vzorek přímo na katodě, oddělen celofánem, odezva pod 10 ms
Duysens – antagonistický efekt různých světel na cytochrom f A
B
red
ox
Změna absorbčních vlastností cytochromu v závislosti na vlnové délce aktinického světla (A) Chlorella – změna absorbce po osvětlení červeným světlem (B) Antagonistický efekt índikuje, že existují dvě světelné reakce (C)
C
Bessel Kok 1957 Absorbční změny u 700 nm (PS 1)
Variabilní fluorescence chlorofylu
Akční spektra vývoje kyslíku a fluorescence
Qred
Fm Fv
Qox
Fo 0
O2
Fluor.
Cyt b6/f
P700
Z (zig-zag) schéma fotosyntézy Robert Hill a Fay Bendall, 1960 Duysens 1961 2 reakce v tandemu
Konec
