Photosynthesis

Photosynthesis in natureOrganisms Autotrophs Heterotrophs

Photosynthesis in natureOrganisms Autotrophs :

Organism Organic

compound

simple inorganic

external source of energy, such as light

Photosynthesis in natureOrganisms Autotrophs

Photosynthesis in natureOrganisms Heterotrophs:

Organism Organic compounds from inorganic sources

cannot synthesize

Photosynthesis in natureOrganisms Heterotrophs

Chloroplasts: sites of photosynthesis

Chloroplasts: sites of photosynthesis

Chloroplasts Double membrane envelope Thylakoid Granum Thylakoid space lumen Stroma lamellea Stroma DNA, RNA, Ribosome

Chloroplasts

Chloroplasts Thylakoid

Chloroplasts

Thylakoid

Chloroplast pigment

Chlorophyll Carotenoid Protein + lipid

Chloroplast pigment

Chlorophyll (green pigment) Chlorophyll a : all higher plant, algae,

cyanobacteria Chlorophyll b : all higher plant, algae Chlorophyll c : diatom, brown algae Chlorophyll d : red algae

Chloroplast pigment

Carotenoid (yellow pigment) Carotenes: orange, orange-red Xanthophylls : yellow

รั�บพลั�งงานแสง กรัะบวนการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง

ป้�องก�น chlorophyll จากการัทำ�าลัายโด้ยแสง (photodestruction)

The nature of light

Properties of light Wave nature : มี�ค�ณสมีบ�ติ"เป้#นคลั$%น

(ความียาว, ความีถี่�%) Particle nature : แสงมี�ลั�กษณะเป้#น

ก�อนพลั�งงาน (discrete packets of energy)

The nature of light

Wave nature Electronmagnetic energy Short wavelength high energy Visible light 380-750 nm

ช่)วงแสงทำ�%มี�ผลัติ)อสรั�รัะว"ทำยาของพ$ช่ 280-800 nm

The nature of light

The nature of light

Particle nature Particle nature : แสงมี�ลั�กษณะเป้#น

ก�อนพลั�งงาน (discrete packets of energy)

: เด้"นทำางมีาอย)างติ)อเน$%อง

Photon (ก�อนพลั�งงาน)

Principle of light absorption by plant The photooxidation by plant of pigment

molecule (chlorophyll, carotenoid)

1 photon pigment 1 electron

Ground state Excited state

photosynthesis

พลั�งงานแสง คารั�โบไฮเด้รัติ (น�.าติาลั)

6H2O + 6CO2 ----------> C6H12O6+ 6O2

light

Photosynthesis

Light reaction Dark reaction

Light reaction

The part of electron in photosynthesis

Light energy chemical energy

NADPH ATP

Light reactionRobert Emerson Green algae chlorella

Wave length ติ)างๆก�น :photosynthesis at 710 nm = 10

photosynthesis at 660 nm = 43.5

photosynthesis at 660+710 = 72.2

แสงทำ�.งสอง wave length ช่)วยส)งเสรั"มีการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง

Light reactionLight-harvesting complexes Thylakoid Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotenoid

+Protein

Antenna complex

Light reactionLight-harvesting complexes

Antenna complex

Absorb light energy

Reaction center

transfers

Light reactionLight-harvesting complexes

Light reactionThe four major complexes of thylakoid

Light energy Chemical energy

Light reactionThe four major complexes of thylakoid

1.Photosystem II (PS ll)

2.Cytochrom complex

3.Photosystem l (PS l)

4.ATP syntheses

The four major complexes of thylakoidPhotosystem II (PS ll) Reaction center chlorophyll

Chlorophyll a Absorption peak about 680 nm

(P 680)

The four major complexes of thylakoidPhotosystem II (PS ll) Chlorophyll a, chlorophyll b (1:1) Xanthophylls (carotenoids)

The four major complexes of thylakoid Photosystem II (PS ll)

The four major complexes of thylakoidCytochrome complex Cytochrome b6

Cytochrome f

The four major complexes of thylakoidPhotosystem l (PS l) Reaction center chlorophyll

Chlorophyll a Absorption peak at 700 nm (P 700)

The four major complexes of thylakoidPhotosystem l Chlorophyll a, chlorophyll b (4:1) Xanthophyll

The four major complexes of thylakoid

The four major complexes of thylakoidATP syntheses มี� enzyme ทำ�าห์น�าทำ�%สรั�าง ATP เก"ด้การัสรั�าง ATP (ADP + Pi ATP)

Photophosphorelation

Light reaction

Electron transport

Non-cyclic electron transport

Cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport Photosystem ll absorbs light

Splitting of water

H2O --------------> 2H+ + 1/2O2 + 2 electrons

Photoexcited electron

Non-cyclic electron transport Electron transport chain- Plastoquinone = Pq- Cytochome complex- Plastocyanin = PcPhotosystem lElectron transport chain- Ferredoxin = Fd NADP+ reductase NADPH

Non-cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport Proton gradient (H+) Proton motive force

ATP synthese

ADP + Pi ATP

Non-cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport NADPH ATP O2

Non-cyclic electron transport DO IT YOURSELF

Non-cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport

Cyclic electron transport

Photosystem l Electron transport chain- Ferredoxin = Fd - Plastoquinone = Pq- Cytochome complex- Plastocyanin = Pc Photosystem l

Cyclic electron transport

Proton gradient (H+) Proton motive force

ATP synthese

ADP + Pi ATP

Cyclic electron transport

มี�การัเพ"%มี H+ เพ"%มี Gradient ATP ไมี)มี�การัสรั�าง NADPH

ติ�องการั Proton gradient มีากป้รัะส"ทำธิ"ภาพของ PS ll ไมี)ด้�

Cyclic electron transport

Cyclic electron transport

Dark reaction

The Calvin Cycle ATP NADPH CO2

Dark reaction

The Calvin Cycle : การัติรั2ง CO2

Carboxylation Reduction Regeneration

Calvin Cycle

RuBP = ribulose bisphosphate PGA = phosphoglycerate PGAL = phosphoglyceraldehyde

(G3P) G3P = glyceraldehyde - 3 - phosphate

Calvin Cycle

Carboxylation (carbon fixation)

3CO2 + 3RuBP 6 PGARubisco

(5C) (3C)

Calvin Cycle

Reduction

6 PGA 5 PGAL + 1PGAL6 ATP

6 NADPH (3C) Out put

(Glucose, organic compound)

(3C)

Calvin Cycle

Regeneration

5 PGAL 3 RuBP(3C)

3 ATP

(5C)

Calvin Cycle

สารัป้รัะกอบอ"นทำรั�ย�ติ�วแรัก PGA (3C)

น�.าติาลัติ�วแรักจากการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง PGAL

Calvin Cycle

Calvin Cycle

Photosynthesis The first organic product

Three carbon compound

3- phosphoglycerate (PGA)

C3 plant

The C4 photosynthesis Bundle sheath cell Mesophyll cell

Photosynthetic cells of C4 plant leaf

The C4 photosynthesis

First product four carbon compound

1000 species of angiosperm

(19 family) Sugarcane, corn, grass family

The C4 photosynthesisMesophyll cell Carbonfixation PEP carboxylase

PEP = phosphoenolpyruvate (3 C)

OAA = oxaloacetate (4C)

PEP carboxylase PEP + CO2 OAA

The C4 photosynthesis

Mesophyll cell

OAA malate(4C)(4C)

Malate dehydrogenase

The C4 photosynthesis

malate (4C)

Pyruvate (3C) CO2

Mesophyll cell Bundle sheath cell

Bundle sheath cell

The C4 photosynthesisBundle sheath cell

CAM plant

Classulacean acid metabolism (CAM)

Carbon fixation in succulent species

Family crassulaceae

CAM plant

Family crassulaceae

CAM plant

Succulent species Cuticle ห์นา, ใบห์นา Vacuole ให์ญ่)อ�ติรัาการัคายน�.าติ�%าพ$.นทำ�%ผ"ว/ป้รั"มีาติรั : ติ�%า cactus, pineapple

CAM plant

Adaptation to arid

- Hot day high light intensity- cool night - dry soil

ถี่�าป้ลั5กในสภาพป้กติ" ติรั2ง CO2 แบบ C3 plant

CAM plant The night open stomata

The day close stoma

Take up CO2

- Conserve water - prevent CO2 from enter the leaf

CAM plant

Mesophyll cell Store the organic acid

(make during the night) Malic acid

vacuole

CAM plant

Chloroplast Light reaction ATP, NADPH Organic acid (malic acid)

CO2

Calvin cycle

CAM plant

CAM plant

Photorespiration

Respiration Normal respiration :

เซลัลั�ทำ�กช่น"ด้ มี�การัห์ายใจ, เก"ด้ติลัอด้เวลัา

(cytoplasm, mitochondria) Photorespiration :

เก"ด้เฉพาะส)วนทำ�%เป้#นส�เข�ยวของพ$ช่ เก"ด้ขณะมี�แสง

(chloroplast, peroxisome, mitochondria)

Photorespiration

Otto Warburg (1920) : algae

การัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสงถี่5กย�บย�.งโด้ย O2

Warburg effect

• เก"ด้ในพ$ช่ C3 ทำ�.งห์มีด้ทำ�%ศึ2กษา

• เก"ด้เมี$%อ O2 ส5ง

Photorespiration

การัห์ายใจ เน$.อเย$%อทำ�%มี�การัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง

เก"ด้ในสภาพทำ�%มี�แสงPhoto: light (แสง)

Respiration : ใช่� O2, มี�การัผลั"ติ CO2

Photorespiration

Hot, dry day close stomata (CO2 )

Rubisco add O2 to Calvin cycle instead of CO2

Glycolic Acid  (2C)

Chloroplast

Photorespiration

Glycolic Acid  (2C)

Rearrange & split

releasing

CO2

Mitochondria, peroxisome

Photorespiration

Photorespiration

Photorespiration

เก"ด้ในสภาวะมี�แสง ATP, NADPH (light reaction) H2O O2 (light reaction)

Rubisco กรัะติ��นโด้ยแสง

Photorespiration

ไมี)พบในพ$ช่ C4 : Rubisco & Calvin cycle enzyme

PEP caboxylase (mesophyll)

ไมี)ติรั2ง O2

Bundle sheath cell

Photorespiration

Bundle sheath cell เรั�ยงติ�วก�นห์นาแน)น CO2 ใน Bundle sheath cell จะถี่5กรั�กษาให์�

ส5งอย5)เสมีอ จะขนส)ง CO2 เข�ามีาติลัอด้เวลัา

บทำบาทำของ photorespiration

ถี่)ายพลั�งงานทำ�%มีากเก"นพอออกไป้ ATP, NADPH

แด้ด้จ�ด้, อากาศึรั�อน ป้ากใบป้9ด้

O2 , ATP ,NADPH CO2 การัส�งเครัาะห์�แสงน�อย, ว�ติถี่�ด้"บเห์ลั$อมีาก

บทำบาทำของ photorespiration

รั�กษา Rubisco & Calvin cycle enzyme

Active ติลัอด้เวลัา

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสงความีเข�มีของแสง

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสงLight compensation point :

จ�ด้ของความีเข�มีแสงทำ�%ทำ�าให์�อ�ติรัาการัป้ลั)อย CO2

(Photorespiration)

เทำ)าก�บอ�ติรัาการัติรั2ง CO2 จากการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง (Photosynthesis)

การัติรั2ง CO2 ส�ทำธิ"เป้#นศึ5นย�

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง พ$ช่ทำ�%วไป้มี�จ�ด้อ"%มีติ�วของแสง 300 - 1000

µm/m2/s

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง Shade plant : เจรั"ญ่ได้�ด้�ทำ�%ความีเข�มีแสงติ�%า- Lower maximum photosynthesis rate- Lower light saturation range- Lower light compensation point

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง ความีเข�มีของแสง

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง คารั�บอนได้ออกไซด้�

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง CO2 compensation point :

จ�ด้ของความีเข�มีข�นคารั�บอนได้ออกไซด้� ทำ�%ทำ�าให์�อ�ติรัาการัติรั2ง CO2

ด้�วยกรัะบวนการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง เทำ)าก�บ อ�ติรัาการัป้ลั)อย CO2 จากกรัะบวนการัห์ายใจ

อ�ติรัาการัติรั2งคารั�บอนได้ออกไซด้�ส�ทำธิ"เป้#นศึ5นย�

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง พ$ช่ C4 CO2 compensation point ติ�%า

กว)า พ$ช่ C3

เพ"%มีความีเข�มีข�น CO2 ในบ�นเด้"ลัช่�ทำ

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง คารั�บอนได้ออกไซด้�

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสงอ�ณห์ภ5มี" มี�ผลัติ)อการัทำ�างานของเอนไซมี� พ$ช่เขติรั�อนติ�องการัอ�ณห์ภ5มี"ทำ�%เห์มีาะสมีติ)อ

การัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสงส5งกว)า พ$ช่เขติห์นาว อ�ณห์ภ5มี"ทำ�%เห์มีาะสมีติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วย

แสงของพ$ช่ C3 จะติ�%ากว)าอ�ณห์ภ5มี"ทำ�%เห์มีาะติ)อการัส�งเครัาะห์� แสง C4

ป้:จจ�ยทำ�%มี�ผลัติ)อการัส�งเครัาะห์�ด้�วยแสง อาย�ใบ ป้รั"มีาณน�.า ธิาติ�อาห์ารั แมีกน�เซ�ยมี,

ไนโติรัเจน