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18.7C: Fotosíntesis oxigénica: reacciones independientes de la luz - Biología

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Objetivos de aprendizaje

  1. Describa brevemente la función general de las reacciones independientes de la luz en la fotosíntesis e indique dónde ocurren en el cloroplasto.
  2. Indique cómo se relacionan las reacciones dependientes de la luz e independientes de la luz durante la fotosíntesis.
  3. Indique los reactivos y los productos para las reacciones independientes de la luz.
  4. Describe brevemente las siguientes etapas del ciclo de Calvin:
    1. CO2 fijación
    2. producción de G3P
    3. regeneración de RuBP
  5. Indique la importancia del gliceraldehído-3-fosfato (G3P) en el ciclo de Calvin.

Las reacciones endergónicas independientes de la luz de la fotosíntesis utilizan el ATP y el NADPH sintetizados durante las reacciones exergónicas dependientes de la luz para proporcionar la energía necesaria para la síntesis de glucosa y otras moléculas orgánicas a partir del dióxido de carbono inorgánico y el agua. Esto se hace "fijando" átomos de carbono del CO2 a los esqueletos de carbono de las moléculas orgánicas existentes. Estas reacciones ocurren en el estroma de los cloroplastos.

Las reacciones independientes de la luz se pueden resumir de la siguiente manera:

[12 NADPH + 18 ATP + 6 CO_2 rightarrow underbrace {C_6H_ {12} O_6} _ {glucosa} + 12 NADP ^ + + 18 ADP + 18 P_i + 6 H_2O ]

La mayoría de las plantas usan Calvin (C3) ciclo para fijar el dióxido de carbono. C3 se refiere a la importancia de las moléculas de 3 carbonos en el ciclo. Algunas plantas, conocidas como C4 plantas y plantas CAM, difieren en su paso inicial de fijación de carbono. Hay tres etapas en el ciclo de Calvin: 1) CO2 fijación; 2) producción de G3P; y 3) regeneración de RuBP. Ahora veremos cada etapa.

Figura ( PageIndex {18} ). 7C.1: El ciclo de Calvin

Etapa 1: CO2 Fijación

Para comenzar el ciclo de Calvin, una molécula de CO2 reacciona con un compuesto de cinco carbonos llamado ribulosa bisfosfato (RuBP) produciendo un intermedio inestable de seis carbonos que inmediatamente se descompone en dos moléculas del compuesto de tres carbonos fosfoglicerato (PGA) (Figura ( PageIndex {18} ). 7C .1). El carbono que formaba parte del CO inorgánico2 ahora es parte del esqueleto de carbono de una molécula orgánica. La enzima para esta reacción es la ribulosa bisfosfato carboxilasa (Rubisco). Un total de seis moléculas de CO2 debe fijarse de esta manera para producir una molécula del azúcar de seis carbonos glucosa.

Etapa 2: Producción de G3P a partir de PGA

La energía del ATP y el poder reductor del NADPH (ambos producidos durante las reacciones dependientes de la luz) ahora se utilizan para convertir las moléculas de PGA en gliceraldehído-3-fosfato (G3P), otro compuesto de tres carbonos (Figura ( PageIndex {18} ). 7C.1). Por cada seis moléculas de CO2 que entran en el ciclo de Calvin, se producen dos moléculas de G3P. La mayor parte del G3P producido durante el ciclo de Calvin (10 de cada 12 G3P producidos) se utiliza para regenerar el RuBP para que el ciclo continúe. Algunas de las moléculas de G3P, sin embargo, se utilizan para sintetizar glucosa y otras moléculas orgánicas. Como puede verse en la Figura ( PageIndex {18} ). 7C.1, se pueden usar dos moléculas de G3P de tres carbonos para sintetizar una molécula de glucosa de azúcar de seis carbonos. El G3P también se usa para sintetizar las otras moléculas orgánicas requeridas por los fotoautótrofos (Figura ( PageIndex {18} ). 7C.2).

Figura ( PageIndex {18} ). 7C.2: Productos sintetizados a partir de Glyceraldehyde-3-Phosohate. El gliceraldehído-3-fosfato (G3P), el producto final del ciclo de Calvin, se puede convertir en muchas moléculas orgánicas diferentes requeridas por los fotoautótrofos.

Etapa 3: Regeneración de RuBP de G3P

Como se mencionó en el paso anterior, la mayor parte del G3P producido durante el ciclo de Calvin - 10 de cada 12 G3P producido - se usa para regenerar el RuBP para que el ciclo pueda continuar (Figura ( PageIndex {18} ). 7C. 1). Diez moléculas del compuesto de tres carbonos G3P eventualmente forman seis moléculas del compuesto de ribulosa fosfato (RP) de cuatro carbonos. Luego, cada molécula de RP se fosforila mediante la hidrólisis de ATP para producir bisfosfato de ribulosa (RuBP), el compuesto de partida del ciclo de Calvin.

Resumen

  1. Los fotoautótrofos absorben y convierten la energía luminosa en energía almacenada de enlaces químicos en moléculas orgánicas mediante un proceso llamado fotosíntesis.
  2. Las plantas, las algas y las cianobacterias se conocen como fotoautótrofos oxigenados porque sintetizan moléculas orgánicas a partir de materiales inorgánicos, convierten la energía luminosa en energía química, utilizan agua como fuente de electrones y generan oxígeno como producto final de la fotosíntesis.
  3. La fotosíntesis oxigénica se compone de dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y las reacciones independientes de la luz.
  4. Las reacciones independientes de la luz utilizan el ATP y NADPH de las reacciones dependientes de la luz para reducir el dióxido de carbono y convertir la energía en energía de enlace químico en carbohidratos como la glucosa.
  5. Las reacciones independientes de la luz se pueden resumir de la siguiente manera: 12 NADPH + 18 ATP + 6 CO2 produce C6H12O6 (glucosa) + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 PI + 6 H2O.
  6. La mayoría de las plantas usan el ciclo de Calvin para fijar el CO2. Para comenzar el ciclo de Calvin, una molécula de CO2 reacciona con un compuesto de cinco carbonos llamado ribulosa bisfosfato (RuBP) produciendo un intermedio inestable de seis carbonos que inmediatamente se descompone en dos moléculas del compuesto de tres carbonos fosfoglicerato (PGA).
  7. La energía del ATP y el poder reductor del NADPH (ambos producidos durante las reacciones dependientes de la luz) se utilizan ahora para convertir las moléculas de PGA en gliceraldehído-3-fosfato (G3P), otro compuesto de tres carbonos.
  8. La mayor parte de la G3P producida durante el ciclo de Calvin se usa para regenerar la RuBP para que el ciclo pueda continuar, sin embargo, algunas de las moléculas de G3P, sin embargo, se usan para sintetizar glucosa y otras moléculas orgánicas.

18.7C: Fotosíntesis oxigénica: reacciones independientes de la luz - Biología

Los procesos en todos los organismos, desde las bacterias hasta los humanos, requieren energía. Para obtener esta energía, muchos organismos acceden a la energía almacenada comiendo, es decir, ingiriendo otros organismos. Pero, ¿dónde se origina la energía almacenada en los alimentos? Toda esta energía se remonta a la fotosíntesis.

La fotosíntesis es esencial para toda la vida en la tierra, tanto las plantas como los animales dependen de ella. Es el único proceso biológico que puede capturar la energía que se origina en el espacio exterior (luz solar) y convertirla en compuestos químicos (carbohidratos) que todo organismo usa para impulsar su metabolismo. En resumen, la energía de la luz solar se captura y se utiliza para energizar los electrones, que luego se almacenan en los enlaces covalentes de las moléculas de azúcar. ¿Qué tan duraderos y estables son esos enlaces covalentes? La energía extraída hoy por la quema de carbón y productos del petróleo representa la energía de la luz solar capturada y almacenada por la fotosíntesis hace unos 300 millones de años.

Figura 1. Los fotoautótrofos que incluyen (a) plantas, (b) algas y (c) cianobacterias sintetizan sus compuestos orgánicos mediante la fotosíntesis utilizando la luz solar como fuente de energía. Las cianobacterias y las algas planctónicas pueden crecer en áreas enormes en el agua, a veces cubriendo completamente la superficie. En un (d) respiradero de aguas profundas, los quimioautótrofos, como estas (e) bacterias termófilas, capturan energía de compuestos inorgánicos para producir compuestos orgánicos. El ecosistema que rodea los respiraderos tiene una variedad diversa de animales, como gusanos tubícolas, crustáceos y pulpos que obtienen energía de las bacterias. (crédito a: modificación del trabajo por Steve Hillebrand, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU. crédito b: modificación del trabajo por & # 8220eutrophication & amphypoxia & # 8221 / Flickr crédito c: modificación del trabajo por NASA crédito d: Universidad de Washington, NOAA crédito e: modificación del trabajo de Mark Modify, Centro de Investigación Submarina de la Costa Oeste y las Regiones Polares, UAF, NOAA)

Figura 2. La energía almacenada en las moléculas de carbohidratos de la fotosíntesis pasa a través de la cadena alimentaria. El depredador que se come a estos ciervos recibe una parte de la energía que se originó en la vegetación fotosintética que consumieron los ciervos. (crédito: modificación del trabajo de Steve VanRiper, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU.)

Las plantas, las algas y un grupo de bacterias llamadas cianobacterias son los únicos organismos capaces de realizar la fotosíntesis (Figura 1). Debido a que utilizan la luz para fabricar su propia comida, se les llama fotoautótrofos (literalmente, & # 8220 auto-alimentadores usando luz & # 8221). Otros organismos, como animales, hongos y la mayoría de las demás bacterias, se denominan heterótrofos (& # 8220 otros alimentadores & # 8221), porque deben depender de los azúcares producidos por organismos fotosintéticos para sus necesidades energéticas. Un tercer grupo muy interesante de bacterias sintetiza azúcares, no utilizando la luz solar y la energía, sino extrayendo energía de compuestos químicos inorgánicos, por lo que se denominan quimioautótrofos.

La importancia de la fotosíntesis no es solo que puede capturar la luz solar y la energía. Un lagarto que toma el sol en un día frío puede utilizar la energía del sol para calentarse. La fotosíntesis es vital porque evolucionó como una forma de almacenar la energía en la radiación solar (la parte & # 8220photo & # 8221) como electrones de alta energía en los enlaces carbono-carbono de las moléculas de carbohidratos (la parte & # 8220síntesis & # 8221). Esos carbohidratos son la fuente de energía que utilizan los heterótrofos para impulsar la síntesis de ATP a través de la respiración. Por lo tanto, la fotosíntesis alimenta el 99 por ciento de los ecosistemas de la Tierra. Cuando un depredador superior, como un lobo, se alimenta de un ciervo (Figura 2), el lobo se encuentra al final de un camino de energía que pasó de reacciones nucleares en la superficie del sol, a la luz, a la fotosíntesis, a la vegetación, al ciervo, y finalmente al lobo.

Objetivos de aprendizaje

  • Identificar los reactivos y productos de la fotosíntesis.
  • Describir los espectros de luz visibles y electromagnéticos que se aplican a la fotosíntesis.
  • Describir las reacciones dependientes de la luz que tienen lugar durante la fotosíntesis.
  • Identificar las reacciones independientes de la luz en la fotosíntesis.

La fotosíntesis es un proceso de varios pasos que requiere luz solar, dióxido de carbono (que es de baja energía) y agua como sustratos (Figura 3). Una vez que se completa el proceso, libera oxígeno y produce gliceraldehído-3-fosfato (GA3P), moléculas de carbohidratos simples (que son altas en energía) que posteriormente se pueden convertir en glucosa, sacarosa o cualquiera de las docenas de otras moléculas de azúcar. Estas moléculas de azúcar contienen energía y el carbono energizado que todos los seres vivos necesitan para sobrevivir.

Figura 3. La fotosíntesis usa energía solar, dióxido de carbono y agua para producir carbohidratos que almacenan energía. El oxígeno se genera como un producto de desecho de la fotosíntesis.

La siguiente es la ecuación química para la fotosíntesis (Figura 4):

Figura 4. La ecuación básica de la fotosíntesis es engañosamente simple. En realidad, el proceso se lleva a cabo en muchos pasos que involucran reactivos y productos intermedios. La glucosa, la fuente de energía primaria en las células, está hecha de dos GA3P de tres carbonos.

Aunque la ecuación parece simple, los muchos pasos que tienen lugar durante la fotosíntesis son en realidad bastante complejos. Antes de conocer los detalles de cómo los fotoautótrofos convierten la luz solar en alimento, es importante familiarizarse con las estructuras involucradas.

En las plantas, la fotosíntesis generalmente tiene lugar en las hojas, que constan de varias capas de células. El proceso de fotosíntesis ocurre en una capa intermedia llamada mesófilo. El intercambio de gases de dióxido de carbono y oxígeno se produce a través de pequeñas aberturas reguladas llamadas estomas (singular: estoma), que también desempeñan un papel en la regulación del intercambio de gases y el equilibrio hídrico. Los estomas generalmente se encuentran en la parte inferior de la hoja, lo que ayuda a minimizar la pérdida de agua. Cada estoma está flanqueado por células de protección que regulan la apertura y el cierre de los estomas al hincharse o encogerse en respuesta a los cambios osmóticos.

En todos los eucariotas autótrofos, la fotosíntesis tiene lugar dentro de un orgánulo llamado cloroplasto. Para las plantas, existen células que contienen cloroplasto en el mesófilo. Los cloroplastos tienen una envoltura de doble membrana (compuesta por una membrana externa y una interna). Dentro del cloroplasto hay estructuras apiladas en forma de disco llamadas tilacoides. Incrustado en la membrana tilacoide es clorofila, un pigmento (molécula que absorbe la luz) responsable de la interacción inicial entre la luz y el material vegetal, y numerosas proteínas que componen la cadena de transporte de electrones. La membrana tilacoide encierra un espacio interno llamado lumen tilacoide. Como se muestra en la Figura 5, una pila de tilacoides se llama granum, y el espacio lleno de líquido que rodea al granum se llama estroma o & # 8220bed & # 8221 (no confundir con el estoma o & # 8220mouth, & # 8221 una abertura en la epidermis de la hoja).

Pregunta de práctica

Figura 5. La fotosíntesis tiene lugar en los cloroplastos, que tienen una membrana externa y una interna. Pilas de tilacoides llamadas grana forman una tercera capa de membrana.

En un día caluroso y seco, las plantas cierran sus estomas para conservar agua. ¿Qué impacto tendrá esto en la fotosíntesis?


Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas producen alimento. Sin él, la vida en la Tierra tendría dificultades para sobrevivir, ya que forma la base de la mayoría de las cadenas alimentarias y proporciona el oxígeno que respiramos. Ocurre en dos etapas, bastante complejas, de las que (desafortunadamente) necesita saber todo: las reacciones dependientes de la luz y las independientes de la luz.

Reacción general

La fotosíntesis combina dióxido de carbono con agua formar glucosa y oxígeno. La glucosa se usa en la respiración para producir energía mientras que el oxígeno se libera de la planta a través de los estomas.

Estructura de cloroplasto

La fotosíntesis toma el cloroplastos de células vegetales. Los cloroplastos contienen sacos llenos de líquido llamados tilacoides. Los tilacoides se apilan como panqueques para formar estructuras que llamamos grana. Cada granum está conectado por piezas de membrana tilacoide llamada laminillas. La sustancia gelatinosa que rodea a los tilacoides se llama estroma.

Los tilacoides dentro del cloroplasto proporcionan una gran superficie para permitir que se absorba la mayor cantidad de luz posible. Dentro de la membrana tilacoide se encuentran fotosistemas que consisten en un pigmento de moléculas unidas a proteínas. El pigmento es lo que da color a las plantas e incluye clorofila a, clorofila b y caroteno. Las plantas contienen dos fotosistemas, llamados fotosistema I y fotosistema II. PSI absorbe luz a una longitud de onda de 700 nm mientras que PSII absorbe luz a una longitud de onda de 680 nm.

El proceso general de fotosíntesis se puede dividir en dos etapas: la primera etapa se conoce como reacción dependiente de la luz y (como era de esperar) requiere luz para ponerse en marcha. El segundo se llama reacción independiente de la luz que no necesita luz pero necesita los productos que se generaron en la primera etapa.

Reacción dependiente de la luz (LDR)

El LDR tiene lugar en el membranas tilacoides de los cloroplastos. Se desarrolla en las siguientes etapas:

La energía luminosa es absorbida por PSII (a pesar de que PSII está involucrado antes de PSI, se descubrió después, de ahí el confuso sistema de nombres). Luz excita electrones dentro de PSII y hace que se muevan a un estado de mayor energía. Los electrones pasan a una serie de portadores de electrones dentro del cadena de transporte de electrones para PSI.

Los electrones que se han perdido del PSII deben reemplazarse. Esto sucede a través del fotólisis del agua - la energía luminosa hace que una molécula de agua se separe y libere iones de hidrógeno, electrones y oxígeno. Los electrones del agua reemplazan los electrones perdidos por PSII.

A medida que los electrones se mueven a lo largo de la cadena de transporte de electrones, pasar de alta a baja energía. La energía perdida por los electrones se utiliza para bombear iones de hidrógeno desde el estroma hasta los tilacoides. Esto genera una gradiente de protones a través de la membrana tilacoide.

Los protones fluyen por su gradiente de concentración a través de ATP sintasa. La energía del movimiento de los protones se utiliza para fosforilar ADP a ATP (fotofosforilación) en un proceso llamado quimiosmosis.

La luz es absorbida por PSI provocando que otro electrón se excite y pase a lo largo del resto de la cadena de transporte de electrones.

los el electrón pasa a NADP formar NADP reducido (NADPH). NADPH es un portador de electrones que transfiere electrones de una molécula a otra.

los ATP y NADP reducido muévete al estroma para la siguiente etapa de la fotosíntesis, la reacción independiente de la luz.

Este proceso se conoce como fotofosforilación no cíclica. Hay otro proceso llamado fotofosforilación cíclica, en el que los electrones pasan repetidamente por PSI. Los electrones abandonan el PSI, pero en lugar de ser aceptados por el NADP, regresan por la cadena hasta el primer aceptor de electrones. Esto significa que se produce ATP pero no NADPH y puede ocurrir cuando la NAPDH es abundante. La fotofosforilación cíclica es más común en plantas con necesidades especialmente altas de ATP y puede prevenir el exceso de proteínas fotosintéticas que dañan la luz.

Las reacciones independientes de la luz (también conocido como el ciclo de Calvin)

El ciclo de Calvin tiene lugar en el estroma del cloroplasto y utiliza los productos del LDR (ATP y NADP reducido) para formar glucosa. Las reacciones que tienen lugar se pueden dividir en tres etapas principales: fijacion de carbon, reducción y regeneración.

Fijacion de carbon

El dióxido de carbono se "fija" agregándolo a una molécula de 5 carbonos llamada bisfosfato de ribulosa (RuBP), formando una molécula de 6 carbonos. Esta reacción es catalizada por una enzima llamada Rubisco.

La molécula de 6C es inestable e inmediatamente se descompone para formar dos compuestos de 3 carbonos llamados glicerato-3-fosfato (GP).

Se produce una reacción de isomerización que convierte GP en un compuesto de 3 carbonos diferente llamado gliceraldehído-3-fosfato (GALP). GALP también se conoce como fosfato de triosa (TP). Esta reacción requiere energía, así que ATP (de la reacción dependiente de la luz) se hidroliza en ADP.

Esta reacción también requiere electrones del NADP reducido portador de electrones (también del LDR). NADP reducido transfiere electrones a GP, reduciéndolo a GALP.

Algo de GALP es convertido en moléculas orgánicas, como la glucosa, pero algunos se utilizarán para regenerar RuBP. Por cada 6 moléculas de GALP, 1 se utiliza para producir moléculas orgánicas, mientras que 5 se utilizarán para la regeneración de RuBP.

Regeneración

GALP es convertido de nuevo en RuBP - este proceso requiere energía que es generada por Hidrólisis de ATP.

El ciclo se completa y puede tener lugar otra ronda de fijación de carbono.


18.7C: Fotosíntesis oxigénica: reacciones independientes de la luz - Biología

A. Dos caminos
1. Dos vías de electrones operan en la membrana tilacoide: la vía no cíclica y la vía cíclica.
2. Ambas vías producen ATP, pero sólo la vía no cíclica también produce NADPH.
3. La producción de ATP durante la fotosíntesis a veces se denomina fotofosforilación, por lo que estas vías también se conocen como fotofosforilación cíclica y no cíclica.

B. Vía electrónica no cíclica (* DIVIDE AGUA, PRODUCE NADPH y amp ATP)

1. Esta vía se produce en las membranas tilacoides y requiere la participación de dos unidades de captación de luz: el fotosistema I (PS I) y el fotosistema II (PS II).
2. Un fotosistema es una unidad fotosintética compuesta por un complejo de pigmentos y un aceptor de electrones, se absorbe energía solar y se generan electrones de alta energía.
3. Cada fotosistema tiene un complejo de pigmentos compuesto de moléculas verdes de clorofila a y clorofila b y pigmentos accesorios naranja y amarillo (por ejemplo, pigmentos carotenoides).
4. La energía absorbida pasa de una molécula de pigmento a otra hasta que se concentra en la clorofila a del centro de reacción.
5. Los electrones en la clorofila del centro de reacción a se excitan y escapan a la molécula aceptora de electrones.
6. La vía no cíclica comienza cuando los electrones de PSII se mueven desde H2O a través de PS II a PS I y luego a NADP +.
7. El complejo de pigmentos PS II absorbe la energía solar. Los electrones de alta energía (e-) dejan el centro de reacción como una molécula de clorofila.
8. PS II toma electrones de reemplazo del H2O, que se divide, liberando iones O2 y H +:
9. El oxígeno se libera como gas oxígeno (O2).
10. Los iones H + permanecen temporalmente dentro del espacio tilacoide y contribuyen a un gradiente de iones H +.
11. A medida que el H + fluye hacia abajo en un gradiente electroquímico a través de los complejos de ATP sintasa, se produce la quimiosmosis.
12. Los electrones de baja energía que salen del sistema de transporte de electrones entran en PS I.
13. Cuando el complejo de pigmentos PS I absorbe energía solar, los electrones de alta energía abandonan la clorofila a del centro de reacción y son capturados por un aceptor de electrones.
14. El aceptor de electrones los pasa a NADP +.
15. NADP + adquiere un H + para convertirse en NADPH: NADP + + 2 e- + H + NADPH.
16. NADPH y ATP producidos por electrones de flujo no cíclico en la membrana tilacoide son utilizados por enzimas en el estroma durante reacciones independientes de la luz.

C. Vía cíclica de los electrones
1. La ruta cíclica de los electrones comienza cuando el complejo de antenas PS I absorbe energía solar.
2. Los electrones de alta energía dejan una molécula de clorofila en el centro de reacción de PS I.
3. Antes de regresar, los electrones entran y viajan por un sistema de transporte de electrones.

una. Los electrones pasan de un nivel de energía superior a uno inferior.
B. La energía liberada se almacena en forma de gradiente de hidrógeno (H +).
C. Cuando los iones de hidrógeno fluyen por su gradiente electroquímico a través de los complejos de ATP sintasa, se produce la producción de ATP.
D. Debido a que los electrones regresan a PSI en lugar de pasar a NADP +, esta es la razón por la que se llama cíclico y también la razón por la que no se produce NADPH.

D. Producción de ATP (quimiosmosis)
1. El espacio tilacoide actúa como un depósito de iones H + cada vez que se divide H2O, quedan dos H +.
2. Los electrones se mueven de portador a portador y ceden la energía utilizada para bombear H + desde el estroma al espacio tilacoide.
3. El flujo de H + de alta a baja concentración a través de la membrana tilacoide proporciona energía para producir ATP a partir de ADP + P mediante el uso de una enzima ATP sintasa.

** Ahora es un buen momento para ver las diversas animaciones de estos procesos. El truco es VISUALIZARLOS *


Cómo funcionan los fotosistemas

Absorción de luz por pigmentos

La fotosíntesis comienza con la absorción de luz por moléculas de pigmentos ubicadas en la membrana tilacoide. El más conocido de ellos es la clorofila, pero también hay carotenoides y, en las cianobacterias y algunas algas, bilinas. Todos estos pigmentos tienen en común dentro de sus estructuras químicas una serie alternante de enlaces simples y dobles de carbono, que forman un sistema conjugado & # x003c0 & # x02013 sistema electrónico (Figura 6).

Las estructuras químicas de la clorofila y los pigmentos carotenoides presentes en la membrana tilacoide. Tenga en cuenta la presencia en cada uno de un sistema conjugado de dobles enlaces de carbono y carbono que es responsable de la absorción de la luz.

La variedad de pigmentos presentes dentro de cada tipo de organismo fotosintético refleja el ambiente de luz en el que vive. Las plantas en la tierra contienen clorofilas. a y B y carotenoides tales como & # x003b2-caroteno, luteína, zeaxantina, violaxantina, antheraxantina y neoxantina (Figura 6). Las clorofilas absorben la luz azul y roja y, por lo tanto, aparecen de color verde, mientras que los carotenoides absorben la luz solo en el azul y, por lo tanto, aparecen amarillo / rojo (Figura 7), colores más obvios en el otoño, ya que la clorofila es el primer pigmento que se descompone en hojas en descomposición.

Las clorofilas absorben la energía de la luz en la parte roja y azul del espectro visible, mientras que los carotenoides solo absorben la luz en la azul / verde.

La luz, o radiación electromagnética, tiene las propiedades tanto de una onda como de una corriente de partículas (cuantos de luz). Cada cuanto de luz contiene una cantidad discreta de energía que se puede calcular multiplicando la constante de Planck, h (6.626 & # x000d710 & # x0221234 J & # x000b7s) por & # x003bd, la frecuencia de la radiación en ciclos por segundo (s & # x022121):

La frecuencia (& # x003bd) de la luz y por lo tanto su energía varía con su color, por lo que los fotones azules (& # x0223c450 & # x000a0nm) son más energéticos que los fotones rojos (& # x0223c650 & # x000a0nm). La frecuencia (& # x003bd) y la longitud de onda (& # x003bb) de la luz están relacionadas por:

dónde C es la velocidad de la luz (3.0 & # x000d710 8 m & # x000b7s & # x022121), y la energía de una longitud de onda particular (& # x003bb) de la luz viene dada por:

Así, 1 mol de fotones de luz roja de 680 & # x000a0nm tiene una energía de 176 kJ & # x000b7mol & # x022121.

Los electrones dentro del sistema deslocalizado & # x003c0 del pigmento tienen la capacidad de saltar desde el orbital molecular ocupado más bajo (estado fundamental) a orbitales de electrones moleculares desocupados más altos (estados excitados) a través de la absorción de longitudes de onda específicas de luz en el rango visible. (400 y # x02013725 y # x000a0nm). La clorofila tiene dos estados excitados conocidos como S1 y S2 y, tras la interacción de la molécula con un fotón de luz, uno de sus electrones & # x003c0 se promueve desde el estado fundamental (S0) a un estado excitado, un proceso que toma solo 10 & # x0221215 s (Figura 8). La brecha de energía entre el S0 y S1 estados está atravesado por la energía proporcionada por un fotón rojo (& # x0223c600 & # x02013700 & # x000a0nm), mientras que la brecha de energía entre el S0 y S2 estados es más grande y, por lo tanto, requiere un fotón azul más enérgico (longitud de onda más corta, frecuencia más alta) (& # x0223c400 & # x02013500 & # x000a0nm) para cubrir la brecha de energía.

Los fotones con energías (colores) ligeramente diferentes excitan cada uno de los subestados vibratorios de cada estado excitado (como se muestra por la variación en el tamaño y el color de las flechas).

Tras la excitación, el electrón en el S2 El estado sufre rápidamente pérdidas de energía en forma de calor a través de la vibración molecular y se convierte en la energía de la S1 estado por un proceso llamado conversión interna. La conversión interna se produce en una escala de tiempo de 10 & # x0221212 s. Por tanto, la energía de un fotón azul se degrada rápidamente a la de un fotón rojo. La excitación de la molécula con un fotón rojo conduciría a la promoción de un electrón al S1 estado directamente. Una vez que el electrón reside en el S1 estado, es más bajo en energía y por lo tanto estable en una escala de tiempo algo más larga (10 & # x022129 s). La energía del electrón excitado en el S1 El estado puede tener uno de varios destinos: podría volver al estado fundamental (S0) por emisión de energía como un fotón de luz (fluorescencia), o podría perderse como calor debido a la conversión interna entre S1 y S0. Alternativamente, si hay otra clorofila cerca, un proceso conocido como transferencia de energía de excitación (EET) puede resultar en el intercambio no radiativo de energía entre las dos moléculas (Figura 9). Para que esto ocurra, las dos clorofilas deben estar cerca (& # x0003c7 & # x000a0nm), tener una orientación específica una con respecto a la otra y energías de estado excitado que se superponen (son resonantes) entre sí. Si se cumplen estas condiciones, la energía se intercambia, lo que da como resultado un espejo S0& # x02192S1 transición en la molécula aceptora y una S1& # x02192S0 transición en el otro.

Dos moléculas de clorofila con resonante S1 los estados experimentan una transición de espejo que resulta en la transferencia no radiativa de energía de excitación entre ellos.

Complejos de captación de luz

En los sistemas fotosintéticos, las clorofilas y los carotenoides se encuentran unidos a proteínas incrustadas en la membrana conocidas como complejos de captación de luz (LHC). Mediante la unión y orientación cuidadosas de las moléculas de pigmento, la energía absorbida puede transferirse entre ellas mediante EET. Cada pigmento está unido a la proteína mediante una serie de interacciones de enlaces no covalentes (como enlaces de hidrógeno, interacciones de van der Waals, interacciones hidrofóbicas y enlaces de coordinación entre electrones de pares solitarios de residuos como la histidina en la proteína y el Mg). 2+ en clorofila) la estructura de la proteína es tal que cada pigmento unido experimenta un entorno ligeramente diferente en términos de las cadenas laterales de aminoácidos circundantes, lípidos, etc., lo que significa que el S1 y S2 los niveles de energía se desplazan en energía con respecto a los de otras moléculas de pigmento vecinas. El efecto es crear una gama de energías de pigmentos que actúan para & # x02018funnel & # x02019 la energía en los pigmentos de menor energía en el LHC por EET.

Centros de reacción

Un fotosistema consta de numerosos LHC que forman una antena de cientos de moléculas de pigmento. Los pigmentos de la antena actúan para recolectar y concentrar la energía de excitación y transferirla hacia un & # x02018especial par & # x02019 de moléculas de clorofila que residen en el centro de reacción (RC) (Figura 10). A diferencia de los pigmentos de antena, el par especial de clorofilas son & # x02018redox-active & # x02019 en el sentido de que pueden volver al estado fundamental (S0) por la transferencia del electrón que reside en el S1 estado excitado (Chl *) a otra especie. Este proceso se conoce como separación de carga y da como resultado la formación de un par especial oxidado (Chl +) y un aceptor reducido (A & # x02212). El aceptor en PSII es plastoquinona y en PSI es ferredoxina. Para que el RC siga funcionando, la deficiencia de electrones en el par especial debe subsanarse, en PSII el donante de electrones es agua y en PSI es plastocianina.

La energía luminosa es capturada por los pigmentos de la antena y transferida al par especial de clorofilas RC que experimentan una reacción redox que conduce a la reducción de una molécula aceptora. El par especial oxidado es regenerado por un donante de electrones.

Vale la pena preguntarse por qué los organismos fotosintéticos se molestan en tener una gran antena de pigmentos al servicio de un RC en lugar de un RC más numeroso. La respuesta radica en el hecho de que el par especial de clorofilas por sí solo tiene una sección transversal espacial y espectral bastante pequeña, lo que significa que existe un límite en la cantidad de luz que pueden absorber de manera eficiente. La cantidad de luz que pueden absorber prácticamente es alrededor de dos órdenes de magnitud menor que su tasa de rotación máxima posible.Por lo tanto, los LHC actúan para aumentar el cruce espacial (cientos de pigmentos) y espectral (varios tipos & # x000a0 de pigmentos con diferentes características de absorción de luz). sección del par especial RC, lo que garantiza que su tasa de rotación se acerque mucho más a la capacidad.

Fotosistema II

PSII es una platoquinona oxidorreductasa de agua impulsada por la luz y es la única enzima en la naturaleza que es capaz de realizar la difícil química de dividir el agua en protones, electrones y oxígeno (Figura 11). En principio, el agua es un donador de electrones extremadamente pobre ya que el potencial redox del par agua y oxígeno es de +820 mV. El PSII utiliza energía luminosa para excitar un par especial de clorofilas, conocido como P680 debido a su pico de absorción de 680 & # x000a0nm en la parte roja del espectro. P680 * sufre una separación de carga que da como resultado la formación de una especie extremadamente oxidante P680 + que tiene un potencial redox de +1200 mV, suficiente para oxidar el agua. No obstante, dado que la división del agua implica la química de cuatro electrones y la separación de carga solo implica la transferencia de un electrón, se requieren cuatro separaciones de carga separadas (renovaciones de PSII) para impulsar la formación de una molécula de O2 de dos moléculas de agua. Por tanto, la donación inicial de electrones para generar el P680 a partir del P680 + es proporcionada por un grupo de iones de manganeso dentro del complejo generador de oxígeno (OEC), que está unido al lado de la luz del PSII (Figura 12). El manganeso es un metal de transición que puede existir en un rango de estados de oxidación de +1 a +5 y, por lo tanto, acumula las cargas positivas derivadas de cada renovación de P680 impulsada por la luz. La extracción progresiva de electrones del grupo de manganeso es impulsada por la oxidación de P680 dentro de PSII por la luz y se conoce como ciclo de estado S (Figura 12). After the fourth turnover of P680, sufficient positive charge is built up in the manganese cluster to permit the splitting of water into electrons, which regenerate the original state of the manganese cluster, protons, which are released into the lumen and contribute to the proton gradient used for ATP synthesis, and the by-product O2. Thus charge separation at P680 provides the thermodynamic driving force, whereas the manganese cluster acts as a catalyst for the water-splitting reaction.

The organization of PSII and its light-harvesting antenna. Protein is shown in grey, with chlorophylls in green and carotenoids in orange. Drawn from PDB code 3JCU

Progressive extraction of electrons from the manganese cluster is driven by the oxidation of P680 within PSII by light. Each of the electrons given up by the cluster is eventually repaid at the S4 to S0 transition when molecular oxygen (O2) is formed. The protons extracted from water during the process are deposited into the lumen and contribute to the protonmotive force.

The electrons yielded by P680* following charge separation are not passed directly to plastoquinone, but rather via another acceptor called pheophytin, a porphyrin molecule lacking the central magnesium ion as in chlorophyll. Plastoquinone reduction to plastoquinol requires two electrons and thus two molecules of plastoquinol are formed per O2 molecule evolved by PSII. Two protons are also taken up upon formation of plastoquinol and these are derived from the stroma. PSII is found within the thylakoid membrane of plants as a dimeric RC complex surrounded by a peripheral antenna of six minor monomeric antenna LHC complexes and two to eight trimeric LHC complexes, which together form a PSII–LHCII supercomplex ( Figure 11 ).

Photosystem I

PSI is a light-driven plastocyanin�rredoxin oxidoreductase ( Figure 13 ). In PSI, the special pair of chlorophylls are known as P700 due to their 700 nm absorption peak in the red part of the spectrum. P700* is an extremely strong reductant that is able to reduce ferredoxin which has a redox potential of � mV (and is thus is, in principle, a poor electron acceptor). Reduced ferredoxin is then used to generate NADPH for the Calvin�nson cycle at a separate complex known as FNR. The electron from P700* is donated via another chlorophyll molecule and a bound quinone to a series of iron–sulfur clusters at the stromal side of the complex, whereupon the electron is donated to ferredoxin. The P700 species is regenerated form P700 + via donation of an electron from the soluble electron carrier protein plastocyanin.

The organization of PSI and its light-harvesting antenna. Protein is shown in grey, with chlorophylls in green and carotenoids in orange. Drawn from PDB code 4XK8.

PSI is found within the thylakoid membrane as a monomeric RC surrounded on one side by four LHC complexes known as LHCI. The PSI–LHCI supercomplex is found mainly in the unstacked regions of the thylakoid membrane ( Figure 13 ).


3.5.1 Photosynthesis (A-level only)

The light-dependent reaction in such detail as to show that:

  • chlorophyll absorbs light, leading to photoionisation of chlorophyll
  • some of the energy from electrons released during photoionisation is conserved in the production of ATP and reduced NADP
  • the production of ATP involves electron transfer associated with the transfer of electrons down the electron transfer chain and passage of protons across chloroplast membranes and is catalysed by ATP synthase embedded in these membranes (chemiosomotic theory)
  • photolysis of water produces protons, electrons and oxygen.

The light-independent reaction uses reduced NADP from the light-dependent reaction to form a simple sugar. The hydrolysis of ATP, also from the light-dependent reaction, provides the additional energy for this reaction.

The light-independent reaction in such detail as to show that:

  • carbon dioxide reacts with ribulose bisphosphate (RuBP) to form two molecules of glycerate 3-phosphate (GP). This reaction is catalysed by the enzyme rubisco
  • ATP and reduced NADP from the light-dependent reaction are used to reduce GP to triose phosphate
  • some of the triose phosphate is used to regenerate RuBP in the Calvin cycle
  • some of the triose phosphate is converted to useful organic substances.

Students should be able to:

  • identify environmental factors that limit the rate of photosynthesis
  • evaluate data relating to common agricultural practices used to overcome the effect of these limiting factors.

Students could devise and carry out experiments to investigate the effect of named environmental variables on the rate of photosynthesis using aquatic plants, algae or immobilised algal beads.

Required practical 7: Use of chromatography to investigate the pigments isolated from leaves of different plants, eg, leaves from shade-tolerant and shade-intolerant plants or leaves of different colours.

Required practical 8: Investigation into the effect of a named factor on the rate of dehydrogenase activity in extracts of chloroplasts.


Photosynthesis Reactions: Light Dependent Reactions, Chemiosmosis

Sugar is formed during light-independent reactions of photosynthesis by the reduction of CO2, utilizing ATP and NADH, the products of light-dependent reactions. Undoubtedly photosynthesis does not happen in the lack of CO2. About 10 percent of total photosynthesis is carried out by terrestrial plants, the rest occurs in oceans, lakes, and ponds.

Aquatic photosynthetic organisms use dissolved CO2, bicarbonates, and soluble carbonates that are present in water as carbon sources. Air includes about 0.03 – 0.04 percent CO2. Photosynthesis taking place on land utilizes this atmospheric CO2.

Stomata

Carbon dioxide gets in the leaves through stomata and gets dissolved in the water absorbed by the cell walls of mesophyll cells. Stomata are found in a great number in a leaf their number being proportional to the amount of gas diffusing into the leaf. Stomata cover only 1 – 2 percent of the leaf surface however they allow proportionately a lot more gas to diffuse.

The entry of CO2 into the leaves relies on the opening of stomata. The guard cells guarding the stoma, because of their peculiar structure and changes in their shape, regulate the opening and closing of stomata. Stomata are adjustable pores that are typically open throughout the day when CO2 is needed for photosynthesis and partly closed at night when photosynthesis stops.

Light – The driving energy of Photosynthesis

Light is a kind of energy called electromagnetic energy or radiations or packets of photons. Light acts as waves along with sort of particles called photons. The radiations most important to life are the visible light that ranges from about 380 to 750 nm in wavelength. It is the light energy that is taken in by chlorophyll, converted into chemical energy, and drives the photosynthetic process. Not all the light falling on the leaves is taken in. Just about one percent of the light falling on the leaf surface is absorbed, the rest is reflected back or transmitted.

Absorption spectrum for chlorophylls suggests that absorption is maximum in blue and red parts of the spectrum, two absorption peaks being at around 430 nm and 670 nm respectively. Absorption peaks of carotenoids are different from those of chlorophylls. Different wavelengths are not only differently absorbed by photosynthetic pigments however are likewise differently effective in photosynthesis.

Reactions of Photosynthesis

These reactions of photosynthesis include two parts:

  1. The light-dependent reactions (light reactions) which use light directly and
  2. The light-independent reactions (dark reactions) do not utilize light directly.
Light-dependent Reactions

(Energy-conversion phase formation of ATP and NADPH)

Light-dependent reactions make up that phase of photosynthesis during which light energy is absorbed by chlorophyll and other photosynthetic pigment molecules and converted into chemical energy. As a result of this energy conversion, reducing and assimilating power in the form of NADPH (NADPH + H + ) and ATP, are formed, both momentarily storing energy to be brought along with H + to the light-independent reactions.

The sunlight energy which is taken in by photosynthetic pigments drives the procedure of photosynthesis. Photosynthetic pigments are organized into clusters, called photosystems, for efficient absorption and utilization of solar energy in thylakoid membranes.

Each photosystem includes a light-gathering ‘antenna complex’ y un ‘reaction center’. The antenna complex has lots of molecules of chlorophyll a, chlorophyll b, and carotenoids, the majority of them funneling the energy to the reaction center. The reaction center has several molecules of chlorophyll an along with a primary electron acceptor, and associated electron carriers of ‘electron transport chain’(ETC).

Chlorophyll a molecules of reaction center and associated proteins are closely connected to the close-by electron transport system. The electron transport chain plays role in the generation of ATP by chemiosmosis (which is the second phase of light dependent reactions). Light energy absorbed by the pigment particles of the antenna complex is moved ultimately to the reaction center. There the light energy is converted into chemical energy.

Photosystems:

There are 2 photosystems, photosystem I (PS I) and photosystem II (PS II). These are called so in order of their discovery. Photosystem I have chlorophyll a molecule which takes in optimum light of 700 nm and is called P700, whereas the reaction center of photosystem II has P680, the form of chlorophyll a which takes in best the light of 680 nm.

A specialized molecule called primary electron acceptor is likewise associated nearby each reaction center. This acceptor traps the high energy electrons from the reaction center and then passes them on to the series of electron carriers. During this energy is utilized to create ATP by chemiosmosis.

In the predominant kind of electron transportation called non-cyclic electron flow, the electrons travel through the two photosystems. In a less typical kind of path called cyclic electron flow just photosystem I is involved. The development of ATP during non-cyclic electron flow is called non-cyclic phosphorylation while that throughout cyclic electron flow is called cyclic phosphorylation.

Non-cyclic Phosphorylation or Z scheme:

  1. When photosystem II absorbs light, an electron excited to a greater energy level in the reaction center chlorophyll P680 is captured by the primary electron acceptor of PS II. The oxidized chlorophyll is now an extremely strong oxidizing agent its electron “hole” needs to be filled.
  2. This hole is filled by the electrons which are drawn out, by an enzyme, from water. This reaction splits a water molecule into 2 hydrogen ions and an oxygen atom, which right away combines with another oxygen atom to form O2. This water-splitting reaction of photosynthesis that releases oxygen is called photolysis. The oxygen produced during photolysis is the primary source of the replenishment of environmental oxygen.
  3. Each photoexcited electron passes from the primary electron acceptor of photosystem II to photosystem I through an electron transport chain. This chain includes an electron carrier called plastoquinone (Pq), a complex of 2 cytochrome, and copper including a protein called plastocyanin (Pc).

  1. As electrons move down the chain, their energy goes on reducing and is utilized by the thylakoid membrane to produce ATP. This ATP synthesis is called photophosphorylation because it is driven by light energy. Specifically, ATP synthesis during non-cyclic electron low is called noncyclic photophosphorylation. This ATP created by the light reactions will supply chemical energy for the synthesis of sugar during the Calvin cycle, the second significant phase of photosynthesis.
  2. The electron reaches the “bottom” of the electron transportation chain and fills an electron “hole” in P700, the chlorophyll ‘a’ molecules in the reaction center of photosystem I. This hole is created when light energy is taken in by particles of P700 and drives an electron from P700 to the primary acceptor of photosystem I.
  3. The primary electron acceptor of photosystem I passes the photoexcited electrons to a 2nd electron transport chain, which transmits them to ferredoxin (Fd), an iron containing protein. An enzyme called NADP reductase then moves the electrons from Fd to NADP. This is the redox reaction that stores the high-energy electrons in NADPH. The NADPH molecule will supply reducing power for the synthesis of sugar in the Calvin cycle.

The path of electrons through the two photosystems throughout non-cyclic photophosphorylation is referred to as Z-scheme from its shape.

Chemiosmosis

In both cyclic and non-cyclic photophosphorylation, the mechanism for ATP synthesis is chemiosmosis, the process that utilizes membranes to couple redox reactions for ATP production. Electron transport chain pumps protons

(H + ) across the membrane of thylakoids in the case of photosynthesis into the thylakoids space. The energy utilized for this pumping comes from the electrons moving through the electron transport chain. This energy is transformed into prospective energy kept in the form of H + gradient throughout the membrane. Next, the hydrogen ions move down their gradient through special complexes called ATP synthase which is integrated into the thylakoid membrane. Throughout this diffusion of H +, the energy of electrons is used to make ATP.

Preguntas frecuentes

Q1: Difference between

Cyclic phosphorylationNon-cyclic phosphorylation
Only involves PSIInvolves both PSI and PS II
Happens when chloroplast lacks ATPAll the time in presence of light
Produce ATPProduce ATP, NADPH2, O2

Q2: What is chlorophyll a and b?

Chlorophyll a: C55H72O5norte4Mg, blue-green in color

Chlorophyll b: C55H70O6norte4Mg, yellow-green in color

Q3: What is the order of transfer of energy in photosynthetic pigments?

Carotenoids –> chlorophyll b –> chlorophyll a

Q4: Chlorophyll exists in how many forms?

Ans: chlorophyll exists in several forms.

Q5: Where the proton gradient develops in chemiosmosis?

Ans: Proton gradient develops across the thylakoid membrane and across inner mitochondrial membrane.


18.7C: Oxygenic Photosynthesis: Light-Independent Reactions - Biology


BIO 10
- Biology Lab Tuesday: 15:00 hours to 17:50 hours

Phenol Red Dye

This is a pH indicator. It measures the concentration of H+ ions present in the test sample (liquid). Water is considered neutral with a pH of 7.0. Any solution with a pH higher than 7.0 to 14.0 is considered alkaline (Basic or a base). Solutions with a pH less than 7.0 are said to be acidic.

Acid solution = yellow color

Neutral solution = orange-pink

Basic solution = dark pink

Carbon dioxide lowers the pH of water once it dissolves in it. This is because it forms a weak acid upon dissolving and that acid frees up H+ ions.

Carbon dioxide is used during photosynthesis

Photosynthesis needs light energy to drive the reaction.

Sunlight contains many wavelengths (colors) of light, some are better for photosynthesis than others.

Starch and other complex sugars (which are generated by the joining of simple sugars such as glucose formed by photosynthesis) form in the presence of appropriate enzymes

CO2 enters the plants mainly through the Stomata - the small opening on the underside of most leaves. For plants that live in water, the CO2 just dissolves in from the surrounding media.

Greasing the surface of a leaf will prevent the entry of CO2 and interrupt photosynthesis.

IN: Water, Carbon Dioxide, Light Energy

Light + CO2 + H2O __> (CH2O)n + O2.

A variegated leaf is a leaf with green and non-green parts. The green parts of the leaf photosynthesise because they contain chlorophyll.

Total absence of plastid pigments causes a sector of a leaf or stem to have white patches. This condition is termed variegation (Metrosideros). Variegation is produced when there is a cell mutation (cytological chimera), and all cells produced from that mutant mother cell lack the pigments, either because plastids are not present or the plastid cannot complete the manufacture of the pigment apparatus. White, therefore, is where color is missing. The zones where chloroplasts are not present are zones where no photosynthesis will occur, hence a variegated leaf has a lowered potential to fix carbon dioxide into sugars, and as a consequence, a variegated plant also tends to grow more slowly.

Variegated leaves occur rarely in nature but are extremely common among indoor and outdoor ornamentals, where they have been saved as horticultural oddities. Species with variegated individuals are sometimes found in the understory of tropical rain forest, and this habitat is the source of a number of variegated house plants. The appearance of variegation in the tropical forest understory, if not simply by accident, has not been given a plausible explanation.

Two types of chlorophyll are found in plants and the green algae.

* chlorophyll a and
* chlorophyll b

The difference in their structures is shown in the figure (red disks).

In the chloroplast, both types are associated with integral membrane proteins in the thylakoid membrane.

Both chlorophylls absorb light most strongly in the red and violet parts of the spectrum. Green light is absorbed poorly. Thus when white light shines on chlorophyll-containing structures like leaves, green light is transmitted and reflected and the structures appear green.

Carotenoids

Chloroplasts also contain carotenoids . These are also pigments with colors ranging from red to yellow.

Carotenoids absorb light most strongly in the blue portion of the spectrum. They thus enable the chloroplast to trap are larger fraction of the radiant energy falling on it.

Carotenoids are often the major pigments in flowers and fruits. The red of a ripe tomato and the orange of a carrot are produced by their carotenoids.

In leaves, the carotenoids are usually masked by the chlorophylls. In the autumn, as the quantity of chlorophyll in the leaf declines, the carotenoids become visible and produce the yellows and reds of autumn foliage.

Many animals use ingested beta-carotene as a precursor for the synthesis of vitamin A.

A spectroscope contains a diffraction grating that separates electromagnetic radiation into its component wavelengths. The spectroscope can be used to measure absorption or emission spectra.

Just as a geologist collects rocks or minerals and a botanist collects plants, an astronomer collects light. Astronomers usually cannot touch the objects they study, like stars or galaxies. But they can analyze the light these celestial objects radiate using a spectroscope. When an astronomer looks at a star through a spectroscope, he or she sees a colorful spectrum that is full of information.

Pigments move at different rates according to their ability to dissolve in the solvent. The pigment that dissolves the best moves up the paper the fastest.

The bacterium, Chlorobium tepidum, was originally isolated from a hot spring in New Zealand. It is a member of the green-sulfur bacterial group, so known because of the microbes' color and their dependence on sulfur compounds to carry out photosynthesis. Biologists say green-sulfur bacteria are important because they perform photosynthesis in a different way from that of other bacteria and that of plants.

For example, instead of the choloroplasts found in plants, green-sulfur bacteria have organelles called chlorosomes that help generate energy through an electron-transport chain in the microbe's cytoplasmic membrane. Inside the chlorosomes, the chlorophyll and carotenoid molecules that capture light differ from the molecules that other species use to perform photosynthesis. Also, green-sulfur bacteria carry out photosynthesis in the absence of oxygen and do not produce oxygen as a byproduct as plants do.

Excluding a few photosynthetic protists and cyanobacteria, plant cells are the only cells that contain chloroplasts. These organelles carry out the processes of photosynthesis, converting light energy into chemical energy and storing it as sugar. As well as producing food for ecosystems, photosynthesis releases oxygen molecules as byproducts, which replenish atmospheric oxygen used in cellular respiration and form a layer of ozone, O3, which shields the earth from solar ultraviolet rays.


Photosynthesis in algae and bacteria

Algae range from multicellular forms like kelp to microscopic, single-celled organisms. Although they are not as complex as land plants, photosynthesis takes place in the same way. Light is absorbed by chlorophyll, although various accessory pigments give them a wide variety of colors, located inside chloroplasts. All algae produce oxygen, and many are autotrophic. However, some are heterotrophic, relying on materials produced by other organisms.

Photosynthetic bacteria do not have chloroplasts. Instead, photosynthesis takes place directly within the cell. The cyanobacteria contain chlorophyll and oxygen, in the same way that chloroplasts do - in fact chloroplasts are now considered to have developed from them. The other photosynthetic bacteria have a variety of different pigments, called bacteriochlorophylls, and do not produce oxygen.


Photosynthetic Reaction

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Ted Talks Video: What is the relationship between photoysnthesis respiration?

Two Sets of Reactions in Photosynthesis (Light Reaction & Calvin Cycle)

1. Light reactions are the energy-capturing reactions, requires energy from the sun

una. Occurs in the thylakoid, water is split
B. ATP and NADPH are produced to power the Calvin Cycle
C. Oxygen is released

2. Calvin Cycle Reactions (Light Independent Reactions)

una. These reactions take place in the stroma can occur in either the light or the dark.
B. These are synthesis reactions that use NADPH and ATP (from the Light Reaction) to reduce CO2.
C. The end product is glucose which can be used by the plant

The Light Reactions occurs in two systems: Photosystem I and II - the creation of ATP is a complicated process

You will take a closer look at Photosystem I and Photosystem II in the Photosystem Coloring Worksheet

1. What is the purpose of the Calvin Cycle?

2. Where does the cell get its energy to perform these reactions?

3. What is the final product?

4. Why is carbon dioxide necessary?

Publisher: Biologycorner.com follow on Google+
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Next Generation Science Standards

HS-LS1-5 Use a model to illustrate how photosynthesis transforms light energy into stored chemical energy.

HS-LS1-6 Construct and revise an explanation based on evidence for how carbon, hydrogen, and oxygen from sugar molecules may combine with other elements to form amino acids and/or other large carbon-based molecules.

Enduring Understanding 2.A. Growth, reproduction and maintenance of the organization of living systems require free energy and matter

2.A.1: All living systems require constant input of free energy
2.A.2: Organisms capture and store free energy for use in biological processes
2.A.3: Organisms must exchange matter with the environment to grow, reproduce and maintain organization