Learning Objectives. Learning Objectives (cont.) Chapter 7: Photosynthesis 1. Lectures by Tariq Alalwan, Ph.D

BIOLS 102 Dr. Tariq Alalwan Biology, 10e Sylvia S. Mader Lectures by Tariq Alalwan, Ph.D. Learning Objectives  List the types of organisms that c...
Author: Phillip Allison
1 downloads 0 Views 478KB Size
BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

Biology, 10e Sylvia S. Mader

Lectures by Tariq Alalwan, Ph.D.

Learning Objectives  List the types of organisms that carry on 

photosynthesis.   Identify the structure of a chloroplast and explain how 

its components interact and facilitate the process of  it   t  i t t  d f ilit t  th     f  photosynthesis.   Show that photosynthesis is a redox reaction that 

produces a carbohydrate and releases O2.  Describe what happens to an electron in a biological 

molecule such as chlorophyll when a photon of light  energy is absorbed.

Learning Objectives (cont.)  Explain why leaves are green, with reference to the 

electromagnetic spectrum.  Describe how the thylakoid membrane is organized to 

produce ATP.   Describe the three phases of the Calvin cycle, and 

indicate when ATP and/or NADPH are involved.  Compare and contrast three modes of photosynthesis 

and tell how each is adapted to a particular  environment.

Chapter 7: Photosynthesis

1

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

Photosynthetic Organisms  Organisms cannot live without energy   Almost all the energy that organisms used comes from 

the solar energy   Photosynthesis: Ph t th i  A process that captures solar energy and transforms it 

into chemical energy (carbohydrate)

 Occurrs in higher plants, algae, mosses, 

photosynthetic protists and some bacteria  (cyanobacteria)

Photosynthetic Organisms  Autotrophs – organisms  having the ability to  synthesize carbohydrates  Heterotrophs – organisms  that must take in  preformed organic  molecules  Both autotrophs &  heterotrophs use  carbohydrates produced  by photosynthesis 

Flowering Plants as Photosynthesis  Photosynthesis takes place in the green portions of 

plants  Leaf of flowering plant contains mesophyll tissue with 

chloroplasts p  Specialized to carry on photosynthesis

 CO2 enters leaf through stomata  Diffuses into chloroplasts in mesophyll cells  In the stroma, CO2 is combined with H2O to form 

C6H12O6 (sugar)

 Thylakoid membrane contains chlorophyll , which  

absorbs solar energy  drives photosynthesis

Chapter 7: Photosynthesis

2

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

The Process of Photosynthesis  The process of photosynthesis is an example of a redox 

reaction (i.e. movement of electrons from one  molecule to another) g g p y y g  In living things, electrons are accompanied by hydrogen ions  (H+ + e)   Oxidation is the loss of hydrogen atoms; Reduction is the 

gain of hydrogen atoms

The Process of Photosynthesis (cont.)  CO2 reduction requires energy and hydrogen atoms  Solar energy will be used to generate ATP needed to 

reduce CO2 to sugar  Electrons needed to reduce CO2 will be carried by a 

coenzyme (NADP+)

 NADP+ is the active redox coenzyme of photosynthesis  When NADP+ is reduced, it accepts 2 e‐ and H+  When NADP+ is oxidized, it gives up its electrons

Chapter 7: Photosynthesis

3

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

Photosynthetic Reactions  In 1930, van Niel showed that O2 given off by  photosynthesis comes from water and not from CO2  Researchers later confirmed using the isotope oxygen  (18O) that O2 given off from photosynthesis comes from  water not CO2

 When water splits, O2 is released and the hydrogen 

atoms (2 e‐ + H+) are taken up by NADPH

 NADH later reduces CO2 to a carbohydrate

Plants as Solar Energy Converters  Higher energy wavelengths are screened out by the 

ozone layer in the upper atmosphere  Lower energy wavelengths are screened out by water 

vapor and CO   d CO2  Photosynthetic pigments use primarily the visible 

light portion of the electromagnetic spectrum  Pigments found in chlorophyll absorb various portions 

of visible light; this is called their absorption spectrum  Graph showing relative absorption of the various colors 

of the rainbow

Photosynthetic Pigments  Chlorophylls a and b  Main pigment that initiate light‐dependent reactions of 

photosynthesis  Absorb violet, blue and red light best  Very little green light is absorbed; most is reflected (this 

is why leaves appear green)

 Carotenoids  Yellow and orange accessory photosynthetic pigments  Absorb light in violet, blue, and green regions

Chapter 7: Photosynthesis

4

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

Absorption and Action Spectrum   Spectrophotometer  An instrument which measures the amount of light of a 

specified wavelength which passes through a sample 

 Amount of light absorbed                                                     

at each wavelength is                                                        plotted on a graph,                                                                      resulting in an absorption                                              spectrum

Phosynthetic Pigments and  Photosynthesis

Two Sets of Reactions  Light Reactions:  Take place only in the presence of light  Chlorophyll present in thylakoid membranes absorbs  solar energy  energizes electrons  Electrons move down electron transport chain 

Pumps H+ into thylakoids



Used to make ATP out of ADP and NADPH out of NADP+

 Calvin Cycle Reactions:  In the stroma, CO2 is reduced to a carbohydrate    Reduction requires the ATP and NADPH produced in  the light reactions

Chapter 7: Photosynthesis

5

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

Photosynthesis Overview

Light Reactions  The light reactions utilize two light‐gathering units (i.e.,  photosystems):  Photosystem I (PSI)  Photosystem II (PSII) Ph t t  II (PSII)

 A photosystem unit consists of  Pigment complex (molecules of chlorophyll a, chlorophyll b 

and the carotenoids)  Electron acceptor molecules that help collect solar energy like 

an antenna  Occur in the thylakoid membranes

Noncyclic Electron Pathway  Uses two photosystems, PS I and PS II  Energy enters the system when PS II becomes excited by  light   Causes high‐energy electrons (e Causes high energy electrons (e‐)to leave the reaction  center chlorophyll a molecule  Electron travels down electron transport chain to PS I  PS II takes replacement electron from H2O, which splits, 

releasing O2 and H+ ions;  H2O  2 H+ + 2 e‐ +  ½ O2

 H+ ions temporarily stay within the thylakoid space and 

contribute to a H+ ion gradient  Which causes ATP production, how?

Chapter 7: Photosynthesis

6

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

Noncyclic Electron Pathway (cont.)  Low‐energy electrons leaving the electron transport 

system enter PS I  PS I captures light energy and ejects the energized 

electron (e‐) from the reaction center chlorophyll a  Transferred permanently by electron acceptors to a 

molecule of NADP+  Causes NADPH production; NADP+ + 2 e‐ + H+ NADPH  NADPH and ATP produced are used by the Calvin cycle 

reaction or light‐independent (dark) reaction enzymes in  the stroma

Organization of the Thylakoid Membrane  PS II:  Consists of a pigment complex and electron‐acceptor 

molecules  Adjacent to an enzyme that oxidizes water  Oxygen is released as a gas (by‐product)

 Electron transport chain (ETC):  Consists of Pq (plastoquinone) and cytochrome 

complexes  Carries electrons from PS II to PS I  Pumps H+ from the stroma into thylakoid space

Chapter 7: Photosynthesis

7

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

Organization of the Thylakoid Membrane  PS I:  Consists of a pigment complex and electron acceptor 

molecules  Adjacent to enzyme that reduces NADP+ to NADPH

 ATP synthase complex:  Has a channel for H+ flow  Which drives ATP synthase to join ADP and Pi

Organization of a Thylakoid

ATP Production  Thylakoid space acts as a reservoir for H+ ions   Each time water is oxidized, two H+ remain in the  thylakoid space  Electrons yield energy  Used to pump H+ across thylakoid membrane  Move from stroma into the thylakoid space

 Flow of H+ back across thylakoid membrane  Energizes ATP synthase enzyme thus producing ATP from 

ADP + Pi

 This method of producing ATP is called chemiosmosis as  it is tied to an electrochemical H+ gradient

Chapter 7: Photosynthesis

8

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

Calvin Cycle Reactions  A series of reactions producing carbohydrates; these 

reactions follow the light reactions  The cycle is named for Melvin Calvin who used a 

radioactive isotope of carbon to trace the reactions  Known as C3 photosynthesis   Involves three phases:  

Carbon dioxide fixation



Carbon dioxide reduction



Regeneration of RuBP

Fixation of Carbon Dioxide  The first step of the Calvin cycle  Atmospheric CO2 enters the stroma of the chloroplast 

via the stomata of the leaves   CO2 is attached to 5‐carbon RuBP molecule  Results in an intermediate 6‐carbon molecule  This splits into two 3‐carbon molecules (3PG)  Reaction is accelerated by RuBP Carboxylase (Rubisco) 

Comprises 20–50% of the protein content of chloroplasts, why?

 CO2 now “fixed” because it is part of a carbohydrate

Reduction of Carbon Dioxide  ATP phosphorylates each 3PG molecule and creates 1,3‐ bisphosphoglycerate (BPG)   BPG is then reduced by NADPH to glyceraldehyde‐3‐ phosphate (G3P)  NADPH and some ATP used for the reduction reactions are  produced in the light reactions

Chapter 7: Photosynthesis

9

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

Regeneration of RuBP  RuBP used in CO2 fixation must be replaced  For every three turns of Calvin Cycle,  Five G3P molecules are used  To remake three RuBP molecules  5 X 3 (carbons in G3P) = 3 X 5 (carbons in RuBP)

The Calvin  Cycle

C3 Plants  C3 plants include more than 95% percent of the plant 

species on earth (e.g. trees)  Called C3 because the CO2 is first incorporated into a 3‐

p carbon compound CO2 + RUBP

Rubisco

2 3PG

 In hot dry conditions, the photosynthetic efficiency of 

C3 plants suffers because of photorespiration  Stomata must close to avoid wilting  CO2 decreases and O2 increases  O2 starts combining with RuBP instead of CO2

Chapter 7: Photosynthesis

10

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

C4 Photosynthesis  Uses another method of CO2 uptake forming a 4‐

carbon molecule instead of the two 3‐carbon molecules  In C4 plants  Bundle sheath cells as well as the mesophyll cells contain 

chloroplasts  The enzyme PEP carboxylase (PEPCase) fixes CO2 to PEP 

(a C3 molecule)  oxaloacetate (a C4 molecule)

 Oxaloacetate is reduced to malate, which is pumped into 

the bundle sheath cells  Here the 4‐carbon molecule is broken down into CO2, 

which enters the Calvin cycle to form sugars & starch

Chloroplast distribution in C4 vs. C3 Plants

CO2 Fixation in C4 vs. C3 Plants  In hot and dry climates  C4 plants avoid 

photorespiration as PEP in  mesophyll cells does not bind  to O  O2

 Net productivity of C4 is 

about 2‐3 times of C3 plants

 In cool, moist conditions, 

CO2 fixation in C3 plants is  three times more efficient  than in C4

Chapter 7: Photosynthesis

11

BIOLS 102

Dr. Tariq Alalwan

CAM Photosynthesis  Called CAM (Crassulacean‐acid metabolism) after 

the plant family in which it was first found  CAM plants partition carbon fixation by time  Crassulacean‐Acid Metabolism C l A id M b li  During the night through their open stomata 

CAM plants use PEPCase to fix CO2



Forms C4 molecules (malate)



Stored in large vacuoles in mesophyll cells

CAM Photosynthesis (cont.)  During daylight 

NADPH and ATP are available  from the light‐dependent  reactions



Stomata closed for water  l df conservation but CO2 cannot  enter photosynthesizing tissues



C4 formed at night is broken  down to CO2 during the day,  which enters the Calvin cycle



Photosynthesis in a CAM plant is  minimal, due to limited amount  of CO2 fixed at night

Chapter 7: Photosynthesis

12

Suggest Documents