Fotosyntéza 3 Ondřej Prášil prasil@alga.cz 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 CO 2 ve fotosyntéze M.Bertholet 1748-1822 Nicolas de Saussure (1767-1845): role H 2 O 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? CO 2 /O 2 ~1 Cve formě uhlovodíků (H:O = 2:1), role průduchů Julius von Sachs v listech se hromadí škrob pouze po osvětlení 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2
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: CO 2 + H 2 O -> CH 2 O (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 CO 2 + 2H 2 A (CH 2 O) + 2A + H 2 O fotolithoautotrofní bakterie 2 fyzicky a časově oddělené redoxní reakce 2H 2 A 2A + 4e - + 4H + CO 2 + 4e - + 4H + (CH 2 O) + H 2 O kyslík nepochází z CO 2 ale z H 2 O
Robert Hill, Cambridge 1930 Obnovení fotosyntetických aktivit v izolovaných chloroplastech po přidání vhodných akceptorů elektronů Hillova reakce 2H 2 O + 4Fe 3+ O 2 + 4Fe 2+ + 4H + Měřil kyslík změnou barvy hemoglobinu
Blackman 1924 Při nízkých intenzitách světla (A) když světlo je limitující teplota nemá na fotosyntézu vliv. Proto Q 10 = 1 Při vysokých intenzitách světla (B) kdyžsvětlo není limitující teplota má vliv na fotosyntézu. Rychlost fotosyntézy se při každém zvýšení teploty o 10 C zdvojnásobí. Proto Q 10 = 2 Závěr Fotosyntéza se skládá ze dvou reakcí... I Reakce závislá na světle Fotochemická, nezávislá na teplotě (Q 10 = 1) II Reakce na světle nezávislá ( Temnotní" reakce) Enzymatická, má Q 10» 2
Ambientní koncentrace CO 2 = 0.035% nebo 350 ppm. Pozorování: CO 2 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 O 2 se vyvine na jeden chlorofyl předpoklad: 1 O 2 se vyvine z jednoho chlorofylu?? Chlorella 1 O 2 ~ 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: Emerson, 50.léta: = 0.25 q/co 2 (3-4 fotony, jedna fotoreakce) = 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 CO 2 + H 2 O 1/6 glukózy + O 2 Standardní volná energie uložená ve fotosyntéze G 0 = 1/6 G 0 f (glukóza) + G 0 f (O 2 ) - G 0 f (H 2 O) - G 0 f (CO 2 ) G 0 = 1/6 (-914,54) +(0) (237,19) (-394,38) G 0 = +479,1 kj mol -1 Světlo: E ( QR) hc N A 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: O 2 + 4H + +4e - 2(H 2 O) anoda: 4Ag 4Ag + + 4e - Ag + + Cl - AgCl I = nfaj O2 proud je úměrný toku kyslíku n = 4 F Faradayova konst. A plocha elektrody J O2 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
Q red F m F v Q ox F o 0
O 2 Fluor. Cyt b 6 /f P 700
Z (zig-zag) schéma fotosyntézy Robert Hill a Fay Bendall, 1960 Duysens 1961 2 reakce v tandemu
Konec