ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗ ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ ΣΤΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ (1). Τι είναι η φωτοσυνθετική φωσφορυλίωση και σε τι διακρίνεται; Είναι η διαδικασία κατά την οποία παράγεται ATP (στο χλωροπλάστη), με δέσμευση φωτεινής ενέργειας και μετατροπή της σε χημική, σύμφωνα με την αντίδραση: ADP +Pi +30 Kj ATP. Διακρίνεται σε κυκλική φωτοσυνθετική φωσφορυλίωση και μη κυκλική φωτoσυνθετική φωσφορυλίωση. (2). Εξηγήστε το ρόλο των ουσιών (α) καρβοξυδισμουτάση (β) NADPH στη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης. Η καρβοξυδισμουτάση είναι ένζυμο το βοηθά τη ΔΦΡ να ενωθεί με CO 2 σχηματίζοντας ένα ασταθές προϊόν και να ξεκινήσει η σκοτεινή φάση Το NADPH μεταφέρει υδρογόνα στο ΔΦΓΟ για να γίνει ΦΓΑλ ή ανάγει το ΔΦΓΟ σε ΦΓΑλ. (3). Σχολιάστε την πιο κάτω χημική εξίσωση, συγκρίνοντας τη με την εξίσωση της κανονικής φωτοσύνθεσης: 12Η 2 S + 6CΟ 2 φως χλωροφύλλη C 6 H 12 Ο 6 + 12S + 6H 2 Ο Αναφέρεται σε βακτηριακή φωτοσύνθεση. Δεν γίνεται σε χλωροπλάστη και χρησιμοποιείται διαφορετικός τύπος χλωροφύλλης. Στην κανονική φωτοσύνθεση χρησιμοποιείται νερό ως δότης ηλεκτρονίων και παράγεται Ο 2. (4). Κατά τη φωτοσύνθεση η χλωροφύλλη α Ρ700 αποβάλλει ηλεκτρόνια, συγχρόνως όμως δέχεται ηλεκτρόνια για αντικατάσταση αυτών που χάνει. (i) Ποια είναι η προέλευση των ηλεκτρονίων που δέχεται η χλωροφύλλη α Ρ700; (ii) Με ποιο τρόπο μεταφέρονται τα ηλεκτρόνια σ αυτήν και σε τι χρησιμεύει η ενέργεια που αποβάλλεται από τα ηλεκτρόνια; (ι) Η α P700 δέχεται ηλεκτρόνια που προέρχονται είτε από την ίδια (κυκλική) είτε από το φωτοσύστημα ΙΙ (αp680) (μη κυκλική). ιι) Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τους διαφορετικούς μεταφορείς τη οξειδοαναγωγικής αλυσίδας (π.χ. Pq, κυτταροχρώματα, Pc). Η ενέργεια τους χρησιμεύει άμεσα στην ενεργοποίηση αντλιών πρωτονίων για τη μεταφορά Η+ στο εσωτερικό του θυλακοειδούς τα οποία στη συνέχεια με την έξοδο τους από την ATP συνθετάση θα δώσουν την ενέργεια για τη σύνθεση της ATP. (5). Η πιο κάτω γραφική παράσταση δείχνει το φάσμα απορρόφησης τριών φωτοσυνθετικών χρωστικών ενός φύλλου.
(α) Να περιγράψετε το φάσμα απορρόφησης της χλωροφύλλης α, όπως παρουσιάζεται στο σχεδιάγραμμα. (β) Γιατί θεωρείται πλεονέκτημα να έχουν τα φυτά περισσότερες από ένα είδος φωτοσυνθετικές χρωστικές; (γ) Με βάση το πιο πάνω σχεδιάγραμμα να εξηγήσετε γιατί τα φύλλα φαίνονται πράσινα. α) Η χλωροφύλλη α παρουσιάζει μέγιστη απορρόφηση στα 400-450 nm και στα 650-700 nm. Στα ενδιάμεσα απορροφά ελάχιστο. β) Αξιοποιεί καλύτερα το ηλιακό φως καθώς απορροφά περισσότερη φωτεινή ενέργεια (περισσότερες ακτινοβολίες διαφορετικού μήκους κύματος) γ) Καθώς η χλωροφύλλες είναι οι κυρίαρχες χρωστικές και απορροφούν μπλε και κόκκινα φωτόνια ανακλούν το πράσινο και έτσι τα φύλλα φαίνονται πράσινα. (6). Το σχήμα παρουσιάζει περιληπτικά τη φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης. Με τη βοήθεια του σχήματος και των γνώσεών σας γύρω από το θέμα αυτό, να δώσετε σύντομη περιγραφή των πιο κάτω φαινομένων: (α) Ιονισμός και αποϊονισμός των χλωροφυλλών αρ680 και αρ700 των φωτοσυστημάτων I (PSI) και II (PSII). (β) Φωτόλυση του νερού αναγωγή του NADP + (γ) Παραγωγή ΑΤΡ με το μηχανισμό της χημειώσμωσης κατά τη μη κυκλική φωτοφωσφορυλίωση (να περιοριστείτε μόνο σ αυτά που φαίνονται στο σχήμα.
α. Η χλωροφύλλη α P680 και η α P700 δέχονται φωτόνια (φωτεινή ενέργεια) διεγείρονται και αποβάλλουν ηλεκτρόνια (ιονισμός). Η α P680 αποϊονίζεται από ηλεκτρόνια της φωτόλυσης του νερού. Η α P700 αποϊονίζεται από ηλεκτρόνια που προέρχονται είτε από την ίδια (κυκλική) είτε από το φωτοσύστημα ΙΙ (ap680) (μη κυκλική). β. Η ιονισμένη αp680 αποτελεί έναν πολύ ισχυρό οξειδωτικό παράγοντα και αποσπά ηλεκτρόνια από το νερό το οποίο φωτολύεται με τη βοήθεια φωτεινής ενέργειας και της πρωτεΐνης Ζ. Κατά τη φωτόλυση του νερού παράγονται 2Η+ 2e- και Ο2. Το οξυγόνο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Τα H+ καταλήγουν τελικά στο στρώμα όπου δεσμεύονται από το NADP+ με τη βοήθεια της NADP-αναγωγάσης προς σχηματισμό NADPH. γ. Τα ηλεκτρόνια κατά τη μεταφορά τους αφήνουν μέρος της ενέργειας τους στους μεταφορείς (κυτταροχρώματα) οι οποίοι λειτουργούν ως αντλίες πρωτονίων μεταφέροντας στο στρώμα Η+. Όταν τα Η+ συσσωρευτούν εξέρχονται παθητικά πίσω στο στρώμα από το κανάλι της ATP συνθετάσης η οποία αποκτά την απαραίτητη ενέργεια για να συνθέσει ATP σύμφωνα με την αντίδραση: ADP +Pi +30 Kj ATP. (8). Το σχήμα παρουσιάζει διάφορα στάδια της φωτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης. Αφού το μελετήσετε, να απαντήσετε στα πιο κάτω: α) Τι ακριβώς γίνεται στο καθένα από τα στάδια Α, Β και Γ του σχήματος; Δώστε τις απαραίτητες εξηγήσεις. β) Που οδηγούν τα βέλη 1, 2 και 3 του σχήματος; Από που ακριβώς προέρχονται τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο βέλος 4; α. Στάδιο Α: Το κέντρο αντίδρασης P680 δέχεται φωτεινή ενέργεια και αποβάλλει ηλεκτρόνια (ιονίζεται). Ταυτόχρονα δέχεται ηλεκτρόνια από τη φωτόλυση του νερού και αποϊονίζεται. Στάδιο Β: Υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση Η+ (όξινο PH) στο εσωτερικό του θυλακοειδούς (οδηγήθηκαν από αντλίες πρωτονίων) εξέρχονται προς το στρώμα μέσω του καναλιού της ATP συνθετάσης. Κατά την έξοδο τους η συνθετάση αποκτά ενέργεια για να συνθέσει ATP από ADP και Pi Στάδιο Γ: Κατιόντα H+ (στρώμα) και ηλεκτρόνια από την αξειδοαναγωγική αλυσίδα δεσμεύονται από το NADP+ με το ένζυμο NADP-αναγωγάση και σχηματίζεται NADPH.
β. Το 1 οδηγεί στο φωτοσύστημα ΙΙ (P700). Τo 2 οδηγεί στη σκοτεινή φάση. Το 3 οδηγεί στη σκοτεινή φάση. Τα ηλεκτρόνια του βέλους 4 προέρχονται από τον ιονισμό της P700 άμεσα (έμμεσα από το νερό). ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2011 7. Το πιο κάτω σχήμα δείχνει συνοπτικά τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης. α. Να ονομάσετε τις χημικές ουσίες που αντιστοιχούν στους αριθμούς 1 μέχρι 6 του σχήματος. (μονάδες 3) β. Οι αριθμοί 7 και 8 δείχνουν τις δύο φάσεις της φωτοσύνθεσης. i. Να ονομάσετε τις δύο φάσεις της φωτοσύνθεσης. (μονάδα 1) ii. Να αναφέρετε το μέρος του χλωροπλάστη στο οποίο επιτελείται η κάθε μία. (μονάδα 1) γ. Οι επιστήμονες προειδοποιούν: «Άνθρωποι μην καταστρέφετε τους φυτικούς οργανισμούς. Στον πλανήτη μας πολλά φυτά μπορούν να επιβιώσουν χωρίς τα ζώα και τους ανθρώπους, αλλά τα ζώα και οι άνθρωποι δεν μπορούν να επιβιώσουν χωρίς τα φυτά». Μήπως υπερβάλλουν οι επιστήμονες ή ισχύει αυτή η προειδοποίηση; Να τεκμηριώσετε την απάντησή σας κάνοντας αναφορά σε τρεις λόγους που τονίζουν τη σημασία της φωτοσύνθεσης στο γήινο οικοσύστημα. Συμβουλευτείτε το πιο πάνω σχήμα. (μονάδες 3) δ. Μέσα σε ένα δοχείο τοποθετούμε μερικά υγιή φρεσκοκομμένα φύλλα από το φυτό γεράνι. Κλείνουμε το δοχείο, εφαρμόζοντας αεροστεγώς έναν αισθητήρα που μετρά τη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Ο αισθητήρας είναι συνδεδεμένος με μια συσκευή διασύνδεσης (Interface) που είναι ήδη ενωμένη με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Κοντά στο φυτό τοποθετούμε μία πηγή φωτός. Το δοχείο καλύπτεται με ένα κομμάτι αλουμινόχαρτο. Οι μετρήσεις αρχίζουν να καταγράφονται και να προβάλλονται στην οθόνη του υπολογιστή. Μετά από 20 περίπου λεπτά αφαιρείται το αλουμινόχαρτο ενώ οι μετρήσεις συνεχίζονται. Τα αποτελέσματα του πειράματος παρουσιάζονται στην ακόλουθη γραφική παράσταση.
i. Από το σημείο Α μέχρι το σημείο Β παρατηρείται γραμμική αύξηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα. Να εξηγήσετε πού οφείλεται αυτή η μεταβολή. (μονάδα 1) ii. Από το σημείο Β μέχρι το σημείο Γ παρατηρείται γραμμική μείωση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα. Να εξηγήσετε πού οφείλεται αυτή η μεταβολή. (μονάδα 1) Απάντηση ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΙΣ ΟΛΥΜΠΙΑΔΕΣ (2009) 32. Νημάτια του φύκους Spirogyra, που είναι πλούσιο σε χλωροπλάστες, τοποθετήθηκαν σε ένα μέσο όπου αναπτύσσονταν υποχρεωτικά αερόβια βακτήρια, τα οποία αφέθηκαν για λίγο χρόνο χωρίς οξυγόνο. Στη συνέχεια, μέρος του νηματίου του φύκους ακτινοβολήθηκε με μια στενή δέσμη λευκού φωτός, που πέρασε πρώτα από πρίσμα ώστε να το φύκος να δεχθεί το φάσμα ανάλυσης του λευκού φωτός σύμφωνα με το πιο κάτω σχήμα. 1 2 3 4 400 500 600 700 800 μήκος κύματος, nm Σε ποια από τα μέρη 1-4 του νήματος θα αναπτυχθούν μεγαλύτεροι πληθυσμοί αερόβιων βακτηρίων;
A. 1, 3 B. 1, 4 C. 2, 3 D. 2, 4 Е. 3, 4. 33. Ποιες από τις πιο κάτω ουσίες μπορούν και συνδέονται με την καρβοξυδισμουτάση: 1. Μονοφωσφορική ριβουλόζη 2. Διφωσφορική ριβουλόζη 3. Οξαλοξικό οξύ 4. Φωσφορογλυκερινικό οξύ 5. Διοξείδιο του άνθρακα 6. Φωσφορογλυκερυναλδεΰδη 7. Οξυγόνο A. 1, 2, 5 B. 1, 5 C. 2, 5 D. 1, 2, 6 E. 2, 5, 7. 34. Χλωροπλάστες οι οποίοι απομονώθηκαν από κατάλληλο φυτικό ιστό, χρησιμοποιήθηκαν σε πειράματα για τη μέτρηση της ταχύτητας μεταφοράς ηλεκτρονίων κατά τη φωτοσύνθεση, κάτω από διαφορετικές κάθε φορά συνθήκες. Ποια από τις πιο κάτω προτάσεις είναι ορθή; A. Η προσθήκη ουσίας που διαχωρίζει λειτουργικά τα δύο είδη φωτοσυστημάτων οδήγησε σε αύξηση της ταχύτητας μεταφοράς ηλεκτρονίων B. Η κυκλική μεταφορά ηλεκτρονίων ξεκίνησε μόνο μετά από αναστολή τής μη κυκλικής μεταφοράς ηλεκτρονίων C. Σύνθεση ATP μπορούσε να παρατηρηθεί μόνο μετά από συνεχή φωτοακτινοβόληση D. Η απελευθέρωση οξυγόνου από τους χλωροπλάστες ήταν εξαρτώμενη αποκλειστικά από την παρουσία CO 2 Ε. Κανένα από τα πιο πάνω.
35. Η φωτοσύνθεση στα φυτά εξαρτάται, μεταξύ άλλων, τόσο από τη θερμοκρασία (T) όσο και από την ένταση του φωτός (L). Οι πιο κάτω γραφικές παραστάσεις δείχνουν τα αποτελέσματα μετρήσεων της κατανάλωσης CO 2 για τρία φυτά του ιδίου είδους κάτω από διαφορετικές εντάσεις φωτός. Ποιος συνδυασμός δηλώσεων από τις Α-Ε, που αφορά περιοριστικούς παράγοντες, στο εύρος θερμοκρασίας 5 C με 0 C (I) και +20 C με + 30 C (II), είναι ορθός για τις εντάσεις φωτός που χρησιμοποιήθηκαν; Εύρος θερμοκρασίας 5 με 0 C (I) A. T και L είναι περιοριστικοί Εύρος θερμοκρασίας +20 με +30 C (II) T και L δεν είναι περιοριστικοί B. T περιοριστικός, L μη περιοριστικός T μη περιοριστικός, L περιοριστικός. C. T περιοριστικός, L μη περιοριστικός T περιοριστικός, L μη περιοριστικός D. T μη περιοριστικός, L περιοριστικός T περιοριστικός, L μη περιοριστικός E. Κανένας από τους πιο πάνω συνδυασμούς δεν είναι ορθός. CO 2 -consumption Κατανάλωση CO 2-5 0 5 10 15 20 25 30 Θερμοκρασία ( 0 C) Ένταση light intensity φωτός 4-fold 4X 2-fold 2X 1-fold X temperature ( C) 36. Το πιο κάτω διάγραμμα παρουσιάζει ένα μονοκύτταρο θαλάσσιο φύκος που φωτοσυνθέτει. Οι ενδείξεις A-F παρουσιάζουν διάφορες δομές ή περιοχές του κυττάρου. Ποιες από αυτές τις δομές ή περιοχές Α-F περιέχουν τα πιο κάτω 1-5; 1. Καρωτινοειδή που απορροφούν Α. μεμβράνη θυλακοειδούς φωτ 2. Άμυλο Β. στρώμα του χλωροπλάστη 3. Μακρομοριακά πολυμερή C. κυτταρόπλασμα που αποτρέπουν τη διάρρηξη D. κυτταρική μεμβράνη του κυττάρου αν αυτό βρεθεί 4. σε γλυκό νερό Μιτοχόνδρια Ε. κυτταρικό τοίχωμα F. μαστίγιο 5. Ριβοσώματα 1 2 3 4 5 A. A B E C+F B+C B. B A D B+C C C. A B E C C D. B A E C+F C E. A B+C F C+F B+C 37. Κατά τη φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης θα εκτελείται, ανάλογα με το αν πραγματοποιείται κυκλική ή μη κυκλική φωτοφωσφορυλίωση, ο πιο κάτω συγκεκριμένος αριθμός από διακριτές πορείες ηλεκτρονίων: κυκλική φωτοφωσφορυλίωση μη κυκλική φωτοφωσφορυλίωση A 1 1 B 2 2 C 1 3 D 2 4 E 1 2 38. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις, που αφορούν τις πορείες των ηλεκτρονίων κατά τη φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης, είναι ορθές.
1. Σε ένα χλωροπλάστη ταυτόχρονα εκτελούνται και κυκλικές και μη κυκλικές πορείες ηλεκτρονίων 2. Δύο λειτουργικά συνδεδεμένα φωτοσυστήματα Ι και ΙΙ αποσυνδέονται αν παρουσιαστεί έλλειψη σε NADP + 3. Δύο λειτουργικά αποσυνδεδεμένα φωτοσυστήματα Ι και ΙΙ επανασυνδέονται αν υπάρχει επάρκεια σε ΑΤΡ 4. Η κυκλική φωτοφωσφορυλίωση εκτελείται όταν η αναλογία ΑΤΡ προς ΝADPH είναι αρκετά ψηλή A. Μόνο τα 1 και 2 B. Μόνο τα 1, 2 και 4 C. Μόνο τα 2, 3 και 4 D. Μόνο τα 1, 2 και 3 E. Όλες. 39. Στις μεμβράνες των θυλακοειδών του χλωροπλάστη, στα κύτταρα ενός ανώτερου φυτού, θα συναντήσουμε υποχρεωτικά τις πιο κάτω διαμεμβρανικές πρωτεΐνες: 1. τις χλωροφύλλες a και b 2. τα κυτταροχρώματα 3. τις αντλίες πρωτονίων 4. μόρια της ΑΤΡ-συνθετάσης και της NADP + -αναγωγάσης A. Μόνο τα 1 και 2 B. Μόνο τα 1, 2 και 4 C. Μόνο τα 2, 3 και 4 D. Μόνο τα 1, 2 και 3 E. Όλα τα πιο πάνω 1-4. 40. Κύτταρα, που φωτοσυνθέτουν, απελευθερώνουν θείο (S). Από το δεδομένο αυτό συνάγεται ότι τα κύτταρα αυτά υποχρεωτικά: 1. είναι προκαρυωτικά 2. δεσμεύουν υδρόθειο (Η 2 S) 3. δεν διαθέτουν χλωροφύλλη a 4. δεν εκτελούν μίτωση A. Μόνο τα 1 και 2 B. Μόνο τα 1, 2 και 4 C. Μόνο τα 2, 3 και 4 D. Μόνο τα 1, 2 και 3 E. Όλα τα πιο πάνω 1-4.