Fotosynteza i chemosynteza - Biologia na czasie 1 (ZR)

1.Odżywianie autotroficzne (autotrofizm)

Wytwarzanie związków organicznych z prostych związków nieorganicznych; podstawowym substratem jest dwutlenek węgla, którego atomy węgla budują szkielety węglowe związków organicznych. To proces anaboliczny wymagający energii. Wyróżnia się fotosyntezę (energia świetlna) i chemosyntezę (energia chemiczna).

2.Odżywianie heterotroficzne (heterotrofizm)

Sposób odżywiania polegający na pobieraniu związków organicznych wytworzonych przez inne organizmy (cudzożywność).

3.Podział organizmów ze względu na sposób odżywiania się

Autotrofy: fotoautotrofy (rośliny, protisty roślinopodobne, niektóre prokarionty - energia świetlna) i chemoautotrofy (niektóre prokarionty, np. bakterie nitryfikacyjne - energia chemiczna). Heterotrofy: saprobionty (odżywiają się martwą materią organiczną), holozoiki (zjadają całe organizmy lub ich części) i pasożyty (pobierają związki organiczne z ciała żywiciela).

4.Fotosynteza i siła asymilacyjna

Fotosynteza to wytwarzanie związków organicznych z prostych związków nieorganicznych z udziałem energii świetlnej. W fazie zależnej od światła powstaje siła asymilacyjna - ATP i NADPH + $\ce{H+}$. W fazie niezależnej od światła zachodzi asymilacja $\ce{CO2}$, czyli jego redukcja do związków organicznych, nazywanych asymilatami.

5.Fotosynteza oksygeniczna i anoksygeniczna

Oksygeniczna przebiega z uwolnieniem tlenu, bo dawcą elektronów i protonów jest woda; zachodzi u roślin, protistów roślinopodobnych i niektórych prokariontów, np. sinic, w środowiskach tlenowych. Anoksygeniczna przebiega bez uwolnienia tlenu, bo dawcą jest inny prosty związek nieorganiczny, np. siarkowodór; zachodzi u niektórych prokariontów środowisk beztlenowych, m.in. bakterii zielonych i purpurowych.

6.Przystosowania liścia do przeprowadzania fotosyntezy

Ogonek liściowy ustawia blaszkę tak, by docierało do niej jak najwięcej światła. Blaszka liściowa ma dużą powierzchnię, więc wydajnie pochłania światło i $\ce{CO2}$. Miękisz asymilacyjny przeprowadza fotosyntezę. Aparaty szparkowe doprowadzają $\ce{CO2}$ do wnętrza liścia i usuwają tlen. Wiązki przewodzące doprowadzają wodę i odprowadzają asymilaty.

7.Fotosynteza u roślin - ogólne równanie

U roślin zachodzi fotosynteza oksygeniczna: z $\ce{CO2}$ i $\ce{H2O}$ z udziałem energii świetlnej powstają węglowodany: $\ce{CO2 + H2O ->[{energia świetlna}] (CH2O) + O2}$, gdzie (CH2O) to ogólny wzór węglowodanów. Tlen jest ubocznym produktem - część roślina zużywa do oddychania, a resztę usuwa do atmosfery.

8.Chloroplast - miejsca przebiegu faz fotosyntezy

W tylakoidach zachodzi faza zależna od światła - uczestniczą w niej barwniki fotosyntetyczne, przenośniki elektronów i syntaza ATP; tu rozkłada się woda i uwalnia tlen. W stromie zachodzi faza niezależna od światła - cykl Calvina-Bensona katalizowany przez liczne enzymy. Z tylakoidów do stromy trafiają ATP i NADPH + $\ce{H+}$, a z powrotem - ADP i $\ce{NADP+}$.

9.Barwniki fotosyntetyczne (asymilacyjne)

Związki organiczne zlokalizowane w błonach tylakoidów, które pochłaniają (absorbują) fale światła widzialnego o określonej długości. Dzielą się na chlorofile i karotenoidy.

10.Chlorofile i karotenoidy

Chlorofile (u roślin głównie a i b) są zielone, pochłaniają światło niebieskie i czerwone, a odbijają zielone; to barwniki główne, bo pochłonięta przez nie energia zapoczątkowuje fazę zależną od światła. Karotenoidy (karoteny i ksantofile) są czerwone, pomarańczowe lub żółte, pochłaniają światło niebieskozielone; to barwniki pomocnicze, bo energię przekazują chlorofilom.

11.Widmo absorpcyjne i widmo czynnościowe fotosyntezy

Widmo absorpcyjne to zakres długości fal świetlnych pochłanianych przez dany barwnik. Widmo czynnościowe fotosyntezy pokazuje związek między długością fal pochłanianych przez ogół barwników a szybkością fotosyntezy - u roślin jest ona największa w świetle niebieskim i czerwonym.

12.Budowa chlorofilu

Cząsteczka chlorofilu składa się z hydrofilowego pierścienia porfirynowego z centralnie położonym atomem magnezu, który pochłania światło, oraz hydrofobowego łańcucha alkoholu - fitolu, który umocowuje cząsteczkę w błonie tylakoidu.

13.Fotosystemy (PS I i PS II)

Kompleksy barwników fotosyntetycznych, lipidów i białek w błonach tylakoidów. Każdy zawiera barwniki antenowe (chlorofile a i b oraz karotenoidy), centrum reakcji (parę zmodyfikowanych cząsteczek chlorofilu a) i pierwotny akceptor elektronów. PS I i PS II różnią się m.in. składem barwników i długością pochłanianych fal; PS II zawiera też kompleks enzymatyczny przeprowadzający fotolizę wody.

14.Jak działają fotosystemy?

Fotosystem przekształca energię świetlną w energię elektronów. Barwniki antenowe pochłaniają światło i przechodzą w stan wzbudzony. Energia wzbudzenia trafia do chlorofilu a w centrum reakcji. Dwie cząsteczki chlorofilu a ulegają jonizacji - przekazują dwa elektrony na pierwotny akceptor i stają się kationami chlorofilu a.

15.Faza zależna od światła i fosforylacja fotosyntetyczna

Faza zależna od światła polega na przemianie energii świetlnej w energię chemiczną siły asymilacyjnej. Wywołany światłem przepływ elektronów przez przenośniki w błonach tylakoidów tworzy gradient protonowy, który syntaza ATP wykorzystuje do fosforylacji ADP. Ten rodzaj fosforylacji to fosforylacja fotosyntetyczna.

16.Fosforylacja fotosyntetyczna niecykliczna

Podstawowy sposób fosforylacji u roślin, zachodzący, gdy w komórce jest dużo $\ce{NADP+}$, a mało NADPH + $\ce{H+}$. Uczestniczą w niej PS II i PS I. Elektrony z fotolizy wody płyną przez PS II, przenośniki i PS I na $\ce{NADP+}$, który redukuje się do NADPH + $\ce{H+}$. Przepływ elektronów napędza pompowanie protonów ze stromy do wnętrza tylakoidu, a syntaza ATP wytwarza ATP. Produkty: ATP, NADPH + $\ce{H+}$ i $\ce{O2}$.

17.Fotoliza wody

Rozkład wody do elektronów, protonów i tlenu, przeprowadzany przez kompleks enzymatyczny fotosystemu II. Kationy chlorofilu a w centrum reakcji PS II odrywają elektrony od cząsteczek wody i odtwarzają się, a uwolniony tlen jest produktem fotosyntezy oksygenicznej.

18.Fosforylacja fotosyntetyczna cykliczna (treść nadobowiązkowa)

Występuje rzadko, gdy w komórce jest dużo NADPH + $\ce{H+}$, a mało $\ce{NADP+}$. Uczestniczy w niej tylko PS I: jego elektrony przepływają przez przenośniki i wracają na PS I. Nie zachodzi fotoliza wody, a jedynym produktem jest ATP, wytwarzane dzięki gradientowi protonowemu.

19.Faza niezależna od światła - cykl Calvina-Bensona

Wykorzystanie siły asymilacyjnej (ATP i NADPH + $\ce{H+}$) do syntezy związków organicznych z dwutlenku węgla. Zachodzi w stromie chloroplastu i składa się z trzech etapów: karboksylacji, redukcji i regeneracji.

20.Karboksylacja w cyklu Calvina-Bensona

Przyłączenie dwutlenku węgla do pięciowęglowego akceptora - rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP), katalizowane przez enzym rubisco (karboksylazę rybulozo-1,5-bisfosforanu). Powstaje nietrwały związek sześciowęglowy, który rozpada się na dwie cząsteczki kwasu 3-fosfoglicerynowego (PGA). Na 3 $\ce{CO2}$ i 3 RuBP powstaje 6 PGA.

21.Redukcja i regeneracja w cyklu Calvina-Bensona

Redukcja: 6 cząsteczek PGA zostaje zredukowanych do 6 cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego (PGAL) z użyciem elektronów z 6 NADPH + $\ce{H+}$ i energii z 6 ATP. Jedna cząsteczka PGAL opuszcza cykl. Regeneracja: z 5 PGAL z udziałem 3 ATP odtwarzają się 3 cząsteczki RuBP - akceptora $\ce{CO2}$.

22.Aldehyd 3-fosfoglicerynowy (PGAL) - pierwotny produkt fotosyntezy

Trójwęglowy cukier, który opuszcza cykl Calvina-Bensona. Jest substratem do syntezy produktów wtórnych, czyli wszystkich pozostałych związków organicznych potrzebnych roślinie. Podczas intensywnej fotosyntezy część PGAL przekształca się w chloroplaście w skrobię asymilacyjną, zużywaną na potrzeby energetyczne komórek nocą.

23.Doświadczenie Engelmanna (1883)

Engelmann oświetlał plechy skrętnicy (zielenicy) z bakteriami tlenowymi światłem białym rozproszonym (próba kontrolna) i światłem rozszczepionym w pryzmacie (próba badawcza). Bakterie skupiały się przy częściach plechy oświetlonych światłem niebieskim i czerwonym, czyli tam, gdzie powstawało najwięcej tlenu. Wniosek: fotosynteza przebiega najintensywniej w świetle niebieskim i czerwonym.

24.Doświadczenie Rubena i Kamena (1941)

Badacze hodowali chlorellę z wodą znakowaną ciężkim izotopem tlenu $\ce{^{18}O}$ i zwykłym $\ce{CO2}$ (grupa 1) oraz ze znakowanym $\ce{CO2}$ i zwykłą wodą (grupa 2). Ciężki izotop tlenu uwolnił się tylko w grupie 1. Wniosek: źródłem tlenu uwalnianego w fotosyntezie jest woda.

25.Znaczenie fotosyntezy

Fotosynteza jest źródłem większości materii organicznej na Ziemi i niemal całego tlenu w atmosferze. Jej produkty są pokarmem fotoautotrofów i heterotrofów, a tlen wykorzystują wszystkie organizmy oddychające tlenowo. Na lądach głównymi producentami są rośliny naczyniowe, a w wodach - fitoplankton.

26.Czynniki wpływające na intensywność fotosyntezy

Czynniki zewnętrzne (środowiska): światło, dwutlenek węgla, temperatura, woda i sole mineralne - zwiększają lub zmniejszają intensywność fotosyntezy. Czynniki wewnętrzne: przystosowania morfologiczne, anatomiczne i metaboliczne organizmów fotosyntetyzujących do warunków środowiska.

27.Wpływ natężenia światła na intensywność fotosyntezy

W słabym świetle intensywność fotosyntezy rośnie wraz z natężeniem światła. Od pewnej wartości (zależnej od gatunku) wpływ światła słabnie, aż intensywność osiąga wartość maksymalną - świetlny punkt wysycenia. Dalszy wzrost natężenia światła zatrzymuje wzrost intensywności fotosyntezy, a potem powoduje jej spadek.

28.Przyczyny spadku intensywności fotosyntezy przy nadmiarze światła

Fotooksydacja chlorofilu - wzbudzenie zbyt wielu cząsteczek chlorofilu, przez co barwnik ulega inaktywacji. Intensywna transpiracja - powoduje spadek turgoru i zamykanie aparatów szparkowych, przez co do liścia nie dopływa dwutlenek węgla, substrat fotosyntezy.

29.Pośredni wpływ światła na fotosyntezę - etioplasty

Światło sprzyja rozwojowi miękiszu asymilacyjnego liści oraz powstawaniu chloroplastów i chlorofilu. Siewki rosnące bez światła są żółte, bo zawierają etioplasty - plastydy z żółtym barwnikiem protochlorofilidem. Przy wystarczającej ilości światła etioplasty przekształcają się w chloroplasty.

30.Wpływ dwutlenku węgla na intensywność fotosyntezy

$\ce{CO2}$ jest substratem fazy niezależnej od światła; rośliny lądowe pobierają go jako gaz, a wodne - jako jony wodorowęglanowe $\ce{HCO3-}$. W atmosferze jest ok. 0,04% $\ce{CO2}$, czyli mniej niż optymalnie; wzrost stężenia, zwykle do ok. 0,1%, zwiększa intensywność fotosyntezy. Wykorzystuje się to w szklarniach, umieszczając w nich suchy lód.

31.Wpływ temperatury na intensywność fotosyntezy (treść nadobowiązkowa)

Temperatura wpływa na aktywność enzymów fotosyntezy, a wymagania roślin zależą od strefy klimatycznej: u roślin okołobiegunowych fotosynteza może zachodzić poniżej 0°C, a u okołorównikowych - w ok. 50°C. Rośliny strefy umiarkowanej mają największą intensywność fotosyntezy w temperaturze 20-30°C.

32.Woda a fotosynteza

Woda jest substratem fotosyntezy - dawcą elektronów i protonów w fazie zależnej od światła. Zapewnia też żywotność organów roślinnych i turgor komórek; wysoki turgor komórek szparkowych pozwala otwierać aparaty szparkowe, przez które roślina pobiera dwutlenek węgla i uwalnia tlen.

33.Sole mineralne a fotosynteza

Do prawidłowego przebiegu fotosyntezy niezbędne są m.in. sole magnezu, potasu, cynku i manganu. Magnez wchodzi w skład pierścienia porfirynowego chlorofilu, jony potasu i cynku warunkują aktywność enzymów fotosyntetycznych, a mangan uczestniczy w fotolizie wody. Niedobór choćby jednego z nich obniża intensywność fotosyntezy, a w skrajnych przypadkach ją hamuje.

34.Czynniki wewnętrzne wpływające na intensywność fotosyntezy

Przystosowania organizmów do warunków środowiska, m.in.: wielkość blaszki liściowej, stosunek powierzchni liścia do jego objętości, liczba i rozmieszczenie aparatów szparkowych, grubość kutykuli, wielkość przestrzeni międzykomórkowych w miękiszu asymilacyjnym, rozmieszczenie chloroplastów w komórkach i zawartość chlorofilu w chloroplastach.

35.Rozmieszczenie chloroplastów w zależności od natężenia światła

W silnym świetle chloroplasty ustawiają się przy ścianach równoległych do kierunku promieni, by ograniczyć pochłanianie światła i fotooksydację chlorofilu. W umiarkowanym świetle rozkładają się równomiernie. W słabym świetle ustawiają się przy ścianach prostopadłych do promieni, co zwiększa ilość pochłanianego światła. Ruch chloroplastów umożliwiają prawdopodobnie włókna cytoszkieletu.

36.Rośliny światłolubne i cieniolubne

Światłolubne (np. agawa amerykańska) mają mięsiste, magazynujące wodę liście lub łodygi z grubą kutykulą, silnie rozwinięty, często wielowarstwowy miękisz palisadowy i mniej barwników antenowych. Cieniolubne (np. przylaszczka pospolita) mają cienkie blaszki z cienką kutykulą, często chloroplasty w skórce, krótkie komórki miękiszu palisadowego i więcej barwników antenowych, głównie chlorofilu b.

37.Chemosynteza

Wytwarzanie związków organicznych (węglowodanów) z dwutlenku węgla i wody z udziałem energii chemicznej pochodzącej z utleniania prostych substancji nieorganicznych. W pierwszej fazie utlenianie tych substancji dostarcza energii do wytworzenia siły asymilacyjnej (ATP i NADPH + $\ce{H+}$, a u bakterii wodorowych ATP i NADH + $\ce{H+}$). W drugiej fazie siła asymilacyjna służy do syntezy związków organicznych z $\ce{CO2}$ i wody.

38.Chemoautotrofy i bakterie nitryfikacyjne

Chemoautotrofy to organizmy przeprowadzające chemosyntezę - niektóre prokarionty gleby i wód, m.in. bakterie nitryfikacyjne i siarkowe. Bakterie z rodzaju Nitrosomonas utleniają amoniak do azotanu(III): $\ce{2NH3 + 3O2 -> 2HNO2 + 2H2O}$ + energia. Bakterie z rodzaju Nitrobacter utleniają azotan(III) do azotanu(V): $\ce{2HNO2 + O2 -> 2HNO3}$ + energia. Zajmują zwykle to samo siedlisko.

39.Znaczenie chemosyntezy

Chemoautotrofy wytwarzają związki organiczne, choć w skali globalnej w mniejszym stopniu niż fotoautotrofy; są jedynymi producentami w ekosystemach bez dostępu do światła (głębsze strefy wód, jaskinie). Udostępniają roślinom składniki mineralne: bakterie nitryfikacyjne utleniają amoniak do jonów azotanowych(V), a bakterie siarkowe z rodzaju Thiobacillus - siarkę do jonów siarczanowych(VI). Neutralizują też toksyczne związki, m.in. siarkowodór, amoniak i azotany(III).

40.Porównanie fotosyntezy z chemosyntezą

Oba procesy wytwarzają związki organiczne z $\ce{CO2}$ i (zwykle) wody. Fotosynteza wykorzystuje energię świetlną, siłą asymilacyjną są ATP i NADPH + $\ce{H+}$, a przeprowadzają ją rośliny, protisty roślinopodobne i niektóre prokarionty. Chemosynteza wykorzystuje energię chemiczną, siłą asymilacyjną są ATP i NADH + $\ce{H+}$ lub ATP i NADPH + $\ce{H+}$, a przeprowadzają ją tylko niektóre prokarionty.