ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΖΩΗΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ π. Αναστάσιος Ισαάκ Λύκειο Παραλιμνίου Ιανουάριος 2014 www.biomathia.webnode.gr
ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ (ΜΕΓΑΛΟΜΟΡΙΑΚΕΣ) ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ ΛΙΠΗ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ
ΑΡΧΗ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η ενέργεια δεν παράγεται από το μηδέν αλλά μετατρέπεται συνεχώς από μια μορφή σε μια άλλη. Η ύπαρξη ζωής προϋποθέτει τη συνεχή τροφοδοσία/κατανάλωση ενέγειας
Αυτότροφοι Οργανισμοί (παραγωγοί) Παράγουν μόνοι τους τις οργανικές ουσίες που τους είναι απαραίτητες, χρησιμοποιώντας ως πρώτες ύλες απλά μόρια ανόργανων ουσιών. Ετερότροφοι οργανισμοί (καταναλωτές) Δεν μπορούν να συνθέσουν μόνοι τους οργανικές ενώσεις από απλές ανόργανες, αλλά τις προμηθεύονται έτοιμες από το περιβάλλον τους καταναλώνοντας άλλους οργανισμούς
Χημειοσύνθεση Παραγωγή ενέργειας από μικροοργανισμούς (βακτήρια) με την οξείδωση ανόργανων αλάτων nitrosomonas, nitrosococcus (NH4)2CO3 + 3O2 2HNO2 + CO2 + 3H2O + ενέργεια nitrobacter Ca(NO2)2 + O2 Ca(NO3)2 + ενέργεια
Φωτοσύνθεση Ο ήλιος εκπέμπει ακτινοβολία (φωτεινή ενέργεια) και ένα μικρό μέρος της παγιδεύεται από τους φωτοσυνθέτοντες οργανισμούς. Η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική και αποθηκεύεται σε οργανικά μόρια, τα οποία φτιάχνουν οι οργανισμοί αυτοί μέσα από μια διαδικασία που την ονομάζουμε φωτοσύνθεση Φωτοσύνθεση εκτελούν φυτά, φύκη, κυανοβακτήρια και τα κυανοφύκη
Φως Ηλεκτρομαγνητική μορφή ενέργειας Εκπέμπεται κατά ποσότητες που ονομάζονται φωτόνια ή κβάντα. Διαδίδεται με κύματα. Μήκος κύματος (λ) είναι η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών κορυφών ενός κύματος. Συχνότητα (ν) είναι ο αριθμός των ράχεων που διέρχονται από ένα σημείο, σε ένα δευτερόλεπτο. Η ταχύτητα με την οποία κινείται το σύνολο των κυμάτων συμβολίζεται με το γράμμα c. Η σχέση μεταξύ των πιο πάνω στοιχείων δίνεται από τον τύπο: v= c/λ
Σχέση μήκους κύματος και ενέργειας E=hv, ή E=h.c/λ (h=σταθερά του Planck) Όσο πιο μικρού μήκους κύματος είναι η ακτινοβολία, τόσο μεγαλύτερα ποσά ενέργειας περιέχει. Ένα φωτόνιο κόκκινης ακτινοβολίας (660nm) περιέχει λιγότερη ενέργεια από ένα φωτόνιο μπλε ακτινοβολίας (430nm).
Όταν ένα φωτόνιο συναντήσει ένα μόριο (ή άτομο): 1. Το φωτόνιο μπορεί να κτυπήσει πάνω στο μόριο και να ανακλαστεί. 2. Το φωτόνιο μπορεί απλά να περάσει μέσα από το μόριο. 3. Το φωτόνιο μπορεί να απορροφηθεί από το μόριο και να προκαλέσει διέγερση ή ιονισμό.
Χρωστικές Είναι οι ουσίες, των οποίων τα μόρια απορροφούν ακτινοβολίες από το ορατό φάσμα. Μερικές απορροφούν όλα τα μήκη κύματος και εμφανίζονται ως μαύρες ενώ άλλες απορροφούν μερικά μήκη κύματος και αντανακλούν τα υπόλοιπα. Δηλαδή κάθε μόριο, απορροφά ακτινοβολίες με διαφορετικό μήκος κύματος το οποίο (λ) είναι χαρακτηριστικό για το μόριο εκείνο.
Φωτοσυνθετικές χρωστικές Κύριες φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι οι χλωροφύλλες οι οποίες είναι διαδεδομένες σε όλα τα πράσινα φυτά, στα πρώτιστα, στα κυανοφύκη και σε μερικά βακτήρια Η κυριώτερη χρωστική είναι η χλωροφύλλη α (σε όλους τους ευκαριωτικούς οργανισμούς και στα προκαρυωτικά κυανοβακτήρια). Δευτερεύουσες χρωστικές είναι η χλωροφύλλη β (σε τραχεόφυτα, βρυόφυτα, χλωροφύκη), η c, η d καθώς και η βακτηριοχλωροφύλλη (800-900 nm), που διαφέρουν ελάχιστα στη δομή τους (ουσιαστικά είναι χημικές παραλλαγές της α. Για τη σύνθεση τους είναι απαραίτητο το μαγνήσιο: Mg). Οι χλωροφύλλες απορροφούν μήκη κύματος στο κόκκινο και το μπλε (;). Εκτός από τις χλωροφύλλες υπάρχουν συμπληρωματικές χρωστικές που απορροφούν ακτινοβολίες με ενδιάμεσα μήκη κύματος (;).
Συμπληρωματικές χρωστικές Ανάμεσα στις συμπληρωματικές χρωστικές είναι τα καροτενοειδή που απορροφούν φωτόνια από το μπλε και το γαλαζοπράσινο και φαίνονται κίτρινα προς πορτοκαλί και οι φυκοβιλλίνες Στα καροτενοειδή ανήκουν τα καροτένια και οι ξανθοφύλλες (οξυγονούχα παράγωγα των καροτενοειδών). π.χ β-καρωτίνη που αποτελεί το κυρίαρχο καροτινοειδές των καρότων. Στις φυκοβιλλίνες ανήκουν η φυκοκυανίνη και η φυκοερυθρίνη (κυανοβακτήρια και ερυθρά φύκη). Το φθινόπωρο, στα φυλλοβόλα φυτά, οι χλωροφύλλες αποδομούνται (διασπώνται) και δεν ξανασχηματίζονται. Η απουσία χλωροφυλλών επιτρέπει σε άλλες χρωστικές, όπως τα καροτινοειδή, να εμφανίζονται. (Αυτές οι χρωστικές ανακλούν ακτινοβολίες διαφορετικού μήκους κύματος, όπως το κίτρινο και το πορτοκαλί) (;).
Που εντοπίζεται η χλωροφύλλη: Η χλωροφύλλη εντοπίζεται στους χλωροπλάστες Ένας χλωροπλάστης περιέχει περίπου 100 κοκκία και κάθε κοκκίο αποτελείται από 50 θυλακοειδή. Σ όλα τα θυλακοειδή βρίσκεται η χλωροφύλλη μεταξύ λιπιδίων και πρωτεϊνών. Τα θυλακοειδή κρατούν τα μόρια της χλωροφύλλης στην κατάλληλη θέση, ώστε να απορροφούν (να δεσμεύουν) το μέγιστο δυνατό ποσό φωτεινής ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας.
Φως Ανακλώμενο φώς Χλωροπλάστης Απορροφημένο φως κοκκίο Διαδιδόμενο φως
Ποια μήκη κύματος απορροφά η χλωροφύλλη; Λευκό Φως Ορατό Φάσμα Διάλυμα χλωροφύλλης 2 3 Φωτοηλεκτρικός σωλήνας γαλβανόμετρο 1 4 Πράσινο φως Η ψηλή μετάδοση ρεύματος (χαμηλή απορρόφηση) σημαίνει ότι η χλωροφύλλη δεν απορροφά το πράσινο Μπλε Μονοχρωματικό φως Η χαμηλή μετάδοση ρεύματος (ψηλή απορρόφηση) σημαίνει ότι η χλωροφύλλη απορροφά το μπλε.
Πείραμα του Engelmann Χλωροφύλλη α Χλωροφύλλη Β Καρωτενοειδή (α) Φάσμα απορρόφησης 400 500 600 700 Μήκος Κύματος (nm) (b) Συνολική απορρόφηση Αερόβια βακτήρια 400 500 600 700 Μικρονημάτιο φύκους
Συμπληρωματικές χρωστικές Τα καρωτινοειδή (απορροφούν φωτόνια από το μπλε και το γαλαζοπράσινο) και οι φυκοβιλλίνες Στα καρωτενοειδή ανήκουν τα καρωτένια (π.χ β- καρωτίνη που αποτελεί το κυρίαρχο καροτινοειδές των καρότων) και οι ξανθοφύλλες (οξυγονούχα παράγωγα των καροτενοειδών). Στις φυκοβιλλίνες ανήκουν η φυκοκυανίνη (κυανοβακτήρια)και η φυκοερυθρίνη (ερυθρά φύκη). Το φθινόπωρο, στα φυλλοβόλα φυτά, οι χλωροφύλλες διασπώνται και δεν επανασχηματίζονται. Η απουσία τους επιτρέπει σε άλλες χρωστικές, όπως τα καρωτινοειδή, να εμφανίζονται. Αυτές οι χρωστικές ανακλούν ακτινοβολίες διαφορετικού μήκους κύματος, όπως το κίτρινο και το πορτοκαλί και έτσι παρατηρείται ποικιλία χρωμάτων.
Φωτοσυστήματα Τα φωτοσυστήματα (Ι και ΙΙ)είναι αθροίσματα 200-300 μορίων χλωροφύλλης μαζί με μόρια συμπληρωματικών χρωστικών και μεταφορείς ηλεκτρονίων. Το φωτοσύστημα Ι εμφανίστηκε σε μονοκύτταρους προκαρυωτικούς οργανισμούς (σαν θειοβακτήρια) πριν 3 δισ. χρόνια (πριν το Οξυγόνο) Το φωτοσύστημα ΙΙ εμφανίστηκε στα κυανοβακτήρια πριν 2,7 δισ χρόνια. Από τα μόρια χρωστικών που περιέχει ένα φωτοσύστημα μόνο ένα ειδικό μόριο χλωροφύλλης α μπορεί να χρησιμοποιήσει την ενέργεια σε κάθε φωτοχημική αντίδραση. Το μόριο αυτό ονομάζεται κέντρο αντίδρασης. Το φωτοσύστημα I περιέχει στο κέντρο αντίδρασης έναν ειδικό τύπο χλωροφύλλης α, την P700 (με μέγιστη απορρόφηση στα 700nm). Tο φωτοσύστημα II περιέχει ένα άλλο τύπο χλωροφύλλης α, την P680 (με μέγιστη απορρόφηση στα 680nm). Όλα τα υπόλοιπα μόρια χρωστικών ονομάζονται χρωστικές αντένας (κεραίες) και συγκεντρώνουν ηλιακή ενέργεια. Έτσι η ενέργεια μεταβιβάζεται από τα φωτόνια (κβάντα φωτός) διαδοχικά σε διάφορα μόρια χρωστικής μέχρι να φτάσει στο κέντρο αντίδρασης το οποίο διεγείρεται και ιονίζεται (χάνει ηλεκτρόνιο)
Ενέργεια ηλεκτρονίων Κατάσταση διέγερσης e θερμότητα Φωτόνιο Μόριο Χλωροφύλλης Φθορισμός φωτονίων Θεμελιώδης κατάσταση (α) Ιονισμός κέντρου αντίδρασης (β) Φθορισμός
Φωτοσυστήματα Τα φωτοσυστήματα (Ι και ΙΙ)είναι αθροίσματα 200-300 μορίων χλωροφύλλης μαζί με μόρια συμπληρωματικών χρωστικών και μεταφορείς ηλεκτρονίων. Το φωτοσύστημα Ι εμφανίστηκε σε μονοκύτταρους προκαρυωτικούς οργανισμούς (σαν θειοβακτήρια) πριν 3 δισ. χρόνια (πριν το Οξυγόνο) Το φωτοσύστημα ΙΙ εμφανίστηκε στα κυανοβακτήρια πριν 2,7 δισ χρόνια. Από τα μόρια χρωστικών που περιέχει ένα φωτοσύστημα μόνο ένα ειδικό μόριο χλωροφύλλης α μπορεί να χρησιμοποιήσει την ενέργεια σε κάθε φωτοχημική αντίδραση. Το μόριο αυτό ονομάζεται κέντρο αντίδρασης. Το φωτοσύστημα I περιέχει στο κέντρο αντίδρασης έναν ειδικό τύπο χλωροφύλλης α, την P700 (με μέγιστη απορρόφηση στα 700nm). Tο φωτοσύστημα II περιέχει ένα άλλο τύπο χλωροφύλλης α, την P680 (με μέγιστη απορρόφηση στα 680nm). Όλα τα υπόλοιπα μόρια χρωστικών ονομάζονται χρωστικές αντένας (κεραίες) και συγκεντρώνουν ηλιακή ενέργεια. Έτσι η ενέργεια μεταβιβάζεται από τα φωτόνια (κβάντα φωτός) διαδοχικά σε διάφορα μόρια χρωστικής μέχρι να φτάσει στο κέντρο αντίδρασης το οποίο διεγείρεται και ιονίζεται (χάνει ηλεκτρόνιο)
Ενέργεια ηλεκτρονίων Κατάσταση διέγερσης e θερμότητα Φωτόνιο Μόριο Χλωροφύλλης Φθορισμός φωτονίων Θεμελιώδης κατάσταση (α) Ιονισμός κέντρου αντίδρασης (β) Φθορισμός
Φωτοσυστήματα Τα φωτοσυστήματα (Ι και ΙΙ)είναι αρθροίσματα 200-300 μορίων χλωροφύλλης μαζί με μόρια συμπληρωματικών χρωστικών και μεταφορείς ηλεκτρονίων. Από τα μόρια χρωστικών που περιέχει ένα φωτοσύστημα μόνο ένα ειδικό μόριο χλωροφύλλης α μπορεί να χρησιμοποιήσει την ενέργεια σε κάθε φωτοχημική αντίδραση. Το μόριο αυτό ονομάζεται κέντρο αντίδρασης. Το φωτοσύστημα I περιέχει στο κέντρο αντίδρασης έναν ειδικό τύπο χλωροφύλλης α, την P700 (μέγιστη απορρόφηση στα 700nm- υπέρυθρο). Tο φωτοσύστημα II περιέχει ένα άλλο τύπο χλωροφύλλης α, την P680 (μέγιστη απορρόφηση στα 680nm-ερυθρό). Τα υπόλοιπα μόρια χρωστικών ονομάζονται χρωστικές αντένας
Συλλογή φωτός Η φωτεινή ενέργεια (φωτόνια) απορροφάται από ένα οποιοδήποτε μόριο χρωστικής αντένας και έπειτα μεταφέρεται από μόριο σε μόριο μέχρι να φτάσει στο κέντρο αντίδρασης. Η χλωροφύλλη α με τον τρόπο αυτό διεγείρεται και στη συνέχεια χάνει ένα ηλεκτρόνιο (ιονίζεται δηλ. οξειδώνεται και φορτίζεται θετικά). Το ηλεκτρόνιο που αποβάλλεται παραλαμβάνεται στη συνέχεια από έναν πρωτογενή δέκτη, για να αρχίσει η ροή των ηλεκτρονίων μέσω μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων(π.χ κυτταροχρώματα b, c, α) όπου οι μεταφορείς, όταν είναι οξειδωμένοι προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια και ανάγονται, ενώ στη συνέχεια χάνουν τα ηλεκτρόνια που πήραν και οξειδώνονται. Κάθε φορά που ελευθερώνεται ένα ηλεκτρόνιο από ένα μεταφορέα και παραλαμβάνεται από έναν άλλο, ελευθερώνεται και ένα ποσό ενέργειας.
Μεταφορείς ηλεκτρονίων Ο μεταφορέας ηλεκτρονίων είναι το NADP (φωσφορονικοτιναμιδο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο) γνωστό ως: NADP+ που είναι η οξειδωμένη μορφή και το NADPH που είναι η ανηγμένη μορφή του. Το NADP μεταφέρει 2 ηλεκτρόνια και 1 ιόν υδρογόνου NADP + + 2H + + 2e - NADPH + Η + Στη δομή του ΝΑD και ορισμένων άλλων μεταφορέων λαμβάνουν μέρος βιταμίνες όπως η νικοτιναμίδη ή νιασίνη (βιταμίνη Β3), που συναντούμε στο ΝΑD, και η ριβοφλαβίνη (βιταμίνη Β2), που συναντούμε στο FAD.
Γενικές εξισώσεις φωτοσύνθεσης και βακτηριοσύνθεσης ηλιακή ενέργεια 6CO 2 + 12H 2 O --------- C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O χλωροφύλλη ηλιακή ενέργεια 6CO 2 + 12H 2 S --------- C6H 12 O 6 + 12S + 6H 2 O βακτηριοχλωροφύλλη
Πειραματική Μελέτη Φωτοσύνθεσης
Παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό της φωτοσύνθεσης Επηρεάζεται περισσότερο από τον παράγοντα εκείνο που έχει τη μεγαλύτερη διαφορά από την άριστη τιμή του 1. Νερό 2. Θερμοκρασία 3. CO2 4. Φως 5. Χλωροφύλλη 6. Ανόργανα Υλικά (Mg, Fe, S, Mn, P...λιπάσματα) 7. Ρύπανση: Τα βαρέα μέταλλα (υδράργυρος, χαλκός, κάδμιο, νικέλιο, ψευδάργυρος και μόλυβδος) σε χαμηλής έντασης ακτινοβολία αντικαθιστούν το μαγνήσιο που βρίσκεται στο κέντρο του μορίου της χλωροφύλλης.
Παράγοντες που επηρεάζουν το ρυθμό της φωτοσύνθεσης
Φάσεις Φωτοσύνθεσης ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ Φωτεινή Φάση Σκοτεινή Φάση
Φωτεινή Φάση Γίνεται στα θυλακοειδή Γίνεται στην παρουσία φωτός (ημέρα) Δεσμεύεται φωτεινή ενέργεια και μετατρέπεται σε χημική σχηματίζοντας ΑΤΡ (μεταφέρεται στο στρώμα) από ADP και Pi. Ανάγεται το NADP+ (φωσφορο-νικοτιναμιδοαδένινο-δινουκλεοτίδιο) σε ΝADPH Διασπάται (φωτολύεται) το νερό σε υδρογόνο (μεταφέρεται στο στρώμα) και οξυγόνο (αποβάλλεται στην ατμόσφαιρα). Η 2 Ο 1/2O 2 + 2Η+ + 2e -
Σκοτεινή φάση (κύκλος του Calvin) Γίνεται στο στρώμα Γίνεται την ημέρα Χρησιμοποιεί: ΑΤΡ (από τη φωτεινή φάση) NADPH ( δηλ Η+, από τη φωτεινή φάση) CO2 (από την ατμόσφαιρα)
Πορεία C και Ο κατά τη φωτοσύνθεση