Název: Fotosyntéza Autor: Mgr. Jiří Vozka, Ph.D. Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: chemie, biologie, matematika, fyzika Ročník: 5. Tématický celek: Biochemie Stručná anotace: Pracovní list je koncipován jako podklad pro laboratorní práci, která se zabývá fotosyntetickými pigmenty. Pigmenty jsou extrahovány z listů a následně rozděleny papírovou chromatografií. V případě, že je k dispozici spektrofotometr, může být práce doplněna o proměření absorpčních spekter jednotlivých pigmentů.
Časová dotace: Práce je koncipovaná na 2 vyučovací hodiny pro žáky pracující ve skupinách po 3 až 4.
Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech ‒ inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Pomůcky (seznam potřebného materiálu) Viz pracovní list Teorie Základní shrnutí fotosyntézy je uvedeno v pracovním listu pro žáky. Zde je uveden princip papírové chromatografie. Chromatografický papír je tvořen hliníkovou folií obvykle pokrytou vrstvou oxidu křemičitého (silikagel). Každý pigment se liší svou chemickou strukturou. Z tohoto důvodu budou pigmenty unášeny vzlínající směsí různou rychlostí, protože každý interaguje různě silně s chromatografickým papírem. Relativně nepolární vzlínající směs bude nejrychleji unášet nejvíce nepolární pigment (β-karoten), zatímco polárnější pigmenty budou interagovat a tedy i zpomalovat se na chromatografickém papíře. Chromatogram se vyhodnotí tak, že se určí retenční faktor, dle následujího vztahu: Rf = (vzdálenost linie startu a zóny daného pigmenty)/(vzdálenost linie startu a čela chromatogramu) , kde čelo chromatogramu je oblast kam až vystoupala vzlínající fáze. Získané retenční faktory se mohou nepatrně lišit, ale pořadí barviv by mělo být zachováno. Postup práce Učitel musí dbát na to, aby žáci materiál řádně rozmělnili. Je vhodné umístit chromatografický papír s extraktem co nejdříve, poté až vysvětlovat teorii. Až během druhé vyučovací hodiny pokračovat dál, čím déle se bude chromatogram vyvíjet tím lépe. V případě, že nebude dostatek času, je možné ukončit vyvíjení dříve, barviva budou rozdělena, ale jejich převedení do acetonu bude problematické, neboť budou blízko u sebe, viz Obrázek č. 1.
Výsledky Rf 0,13 0,25 0,41 0,46 0,48 0,51 1,00
Pigment neoxantin violaxantin lutein chlorofyl b chlorofyl a feofytin β-karoten
Absorbované vlnové délky 425 – 490 nm, modrá oblast, částečně i ve fialové oblasti 400-430 nm, fialová oblast 420 – 490 nm, modrá oblast 450 nm, modrá; 640-650 nm, oranžová až červená oblast 420 nm, fialová oblast, 660 nm, červená oblast 420 nm, fialová oblast; 660 nm červená oblast 420-490 nm, fialová až modrá oblast
¨
Obrázek č. 1: Chromatogram fotosyntetických pigmentů.
Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti, … Laboratorní práce může být snadno doplněna o odvození principu papírové chromatografie či o principy spektrofotometrie. Zdroje: PAVLOVÁ, L. Fyziologie rostlin (skriptum). Praha: Karolinum,
Pracovní list pro žáka
Fotosyntéza Laboratorní práce číslo:……….
Jméno…………………………… Třída……… Datum………
Teorie Fotosyntéza je základní biochemický proces ovlivňující celou planetu. Kromě přeměny anorganické formy uhlíku (CO2) na formu organickou (sacharidy), produkuje tento proces i kyslík, který je nezbytně nutný pro všechny aerobní organismy. Tento velmi komplikovaný proces je možné zjednodušeně shrnout rovnicí: 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O U eukaryotních organismů se celý fotosyntetický aparát nachází ve specializovaných organelách – chloroplastech (semiautonomní organela). Tyto organely obsahují složitou membránovou strukturu. Jejich vnitřní membrána tvoří malé oválné útvary thylakoidy, které jsou uspořádány do sloupcovitých gran (jed. č. granum). Právě na membránách thylakoidů probíhá fotosyntéza. Světelné záření dopadá na anténní komplexy tvořené různými barvivy, které si vzájemně předávají energii a soustřeďují ji tak do tzv. reakčního centra. V reakčním centru se nachází samotné fotosystémy. Absorbovaná energie poslouží k excitaci elektronu, získaném fotolýzou vody za vzniku kyslíku, na fotosystému II. Vysokoenergetický elektron je postupně transportován kaskádou membránových přenašečů a ochuzován o energii. Získaná energie je využitá k přečerpání vodíkových kationů do prostoru thylakoidu (tzv. lumen thylakoidu), tedy ke tvorbě protonového gradientu. Výsledkem je nízké pH v lumenu thylakoidu. Energie protonového gradientu je využita k syntéze ATP podobně jako v koncovém dýchacím řetězci. Na fotosystému I proběhne druhá excitace elektronu. Nově získaná energie je využita k vytvoření redukovaného kofaktoru NADPH. ATP i NADPH jsou následně využity v sekundární fázi fotosyntézy k tvorbě sacharidu z oxidu uhličitého. Ústředními molekulami celé fotosyntézy jsou rostlinná barviva. Jejich společným charakteristickým rysem je větší počet konjugovaných dvojných vazeb v molekule. Z chemického hlediska se jedná nejčastěji o cyklické nebo lineární tetrapyroly, karotenoidy či flavonoidy. Dle lokalizace v buňce se barviva dělí na plastidová (lipoidní charakter- cyklické tetrapyroly, karotenoidy), která se významně účastní fotosyntetických procesů. V případě karotenoidů se hovoří dále o funkci ochranné. Chrání fotosyntetický aparát před fotooxidací. Druhou skupinou jsou barviva vakuolární (flavonoidy - antokyany, flavonoly, flavony), která chrání před UV zářením. Cílem laboratorní práce je za pomoci papírové chromatografie rozdělit fotosyntetické pigmenty břečtanu popínavého (Hedera helix), popř. určit jejich absorpční spektrum.
Úkol: Pomocí papírové chromatografie rozdělte barviva břečťanu popínavého (Hedera helix) Chemikálie Listy břečťanu popínavého (Hedera helix), hexan, izopropanol (propan-2-ol), destilovaná voda, uhličitan vápenatý, jemný písek Pomůcky Velká kádinka s hodinovým sklem jako víčkem, kádinky, odměrné nádobí, chromatografický papír, tužka, kapilára na nanášení chromatogramu, pravítko, nůžky, třecí miska s tloučkem, frita, odsávací baňka (popř. spektrofotometr s možností měřit absorpci látek při plynule se měnící vlnové délce)
Postup práce Nastříhejte 8 listů břečťanu na velmi jemné proužky, které umístěte do třecí misky. Poté přidejte na špičku nože písku, na špičku nože uhličitanu vápenatého pro neutralizaci prostředí a 5 ml acetonu. Po důkladném rozetření přidejte dalších 15 ml acetonu a poté filtrát odsajte fritě do suché kádinky. Ve vzdálenosti 2 cm od konce chromatografického papíru narýsujte tužkou linku. Poté na tuto linii naneste kapilátou 8 vrstev extraktu. Mezi jednotlivými vrstvami nechte extrakt zaschnout. V kádince smíchejte 50 ml hexanu s 5 ml izopropanolu a 1,125 ml destilované vody. Tuto směs umístěte do velké kádinky, poté co nejsvisleji vložte chromatografický papír s naneseným extraktem. Pozor linie s extraktem nesmí být ponořena vyvíjecí směsi. Překryjte kádinku co nejtěsněji hodinovým sklem. Po 30 minutách, popř. podle pokynů učitele, chromatogram vyjměte a tužkou podle pravítka označte místo, kam až vystoupala vyvíjecí směs (tzv. čelo chromatogramu). Máte-li k dispozici spektrofotometr, pak jednotlivé zóny s pigmenty vystříhejte a eluujte ve 2 ml acetonu. Poté proměřte jejich absorpční spektra.
Vyhodnocení Určete retenční faktor:
