Ondřej Prášil

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