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Chapter 10

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Ingo Ensminger

CHAPTER 10 10.1 • Three million years ago = light absorbing molecules and enzymes  • All organisms perform respiration or fermentation • Photosynthesis allows plants to convert electromagnetic energy in the form of  sunlight into chemical energy in the bonds of carbohydrates  CO  2 2H O 2 light energy  ▯(CH O)  +2H n + O 2 2 • The (CH O)2 in a generic carbohydrate • Energy from light is transformed to chemical energy in the C­H and the C­C  bonds of carbohydrates 6 CO  2 12 H O 2light energy  ▯C H O 6+ 12O 6+ 6 H 2 2 • Cellular respiration process is the opposite of the photosynthesis process • Cornelius Van Niel focused on how photosynthesis occurs in purple sulfur  bacteria: these cells can grow in the lab on a food source that lacks sugars, to  grow they have to be exposed to sunlight and H S  2 CO  2 2H S 2 light energy  ▯(CH O)  2 H n + 2 2 This was crucial for two reasons; CO  and2H O don2t combine directly during  photosynthesis,  and the oxygen atoms in CO  are n2t released as oxygen gas • Thus, the oxygen that is released in photosynthesis must come from H O 2 • Melvin Calvin began feeding labeled carbon dioxide to algae and identifying the  molecules that subsequently became labeled with the radioisotope • The reactions that reduce carbon dioxide and result in the production of sugars is  the Calvin cycle • The Calvin cycle can function only if the light­dependent reactions are occurring • Photosynthesis is a process consisting of two linked set of reactions, one is  triggered by light, and the other set –the Calvin cycle – requires the products of  the light dependent reactions. The light dependent reactions results in the  production of sugars from carbon dioxide • The two set of reactions are linked by electrons • Electrons are released when water is split to form oxygen gas • During the light dependent reactions the electrons are promoted to a high energy  state by light and then transferred to a phosphorylated version of NAD , called  NADP , that is abundant in photosynthesizing cells. This reaction forms NADPH,  which is an electron carrier. ATP is also produced in the light­dependent reaction.  • During the Calvin cycle, the electrons in NADPH and the potential energy in ATP  are used to reduce CO  to carbohydrate 2 • The structure of chloroplast: o Leave cells typically contain 40­50 chloroplasts  o Chloroplasts have a double membrane  o Their interior is dominated by vesicle structures called thylakoids  o Thylakoids occur in interconnected stacks forming grana o The space inside the thylakoid is the lumen o The fluid filled space between the thylakoid and the inner membrane is the  stroma o The thylakoid membranes contains pigments o Pigments are molecules that absorb only certain wavelength of light, other  wavelengths are either transmitted or reflected  o Pigments have colors because we see the colors that pass through or  bounce off them o The most abundant pigment found in the thylakoid is chlorophyll o Chlorophyll reflects or transmits green light o Chloroplasts are developed from colorless organelles called proplastids o Proplastids are found in the cells of embryonic plants and in rapidly  dividing tissues of mature cells. As cells mature, proplasts develop into  chloroplasts or other types of plastids specialized for that cells particular task 10.2 • Photosynthesis begins with the light dependent reaction • The light dependent reaction begins with the simple act of light striking  chlorophyll • Light is a type of electromagnetic radiation which is a form of energy • Light behavior is both wavelike and particle­like • Electromagnetic radiation is characterized by its wavelength • Electromagnetic spectrum is the range of wavelengths of electromagnetic  radiation • Electromagnetic radiation that humans can see are called Visible light, 400­710nm • Shorter wavelengths of electromagnetic radiation contain more energy than long  wavelengths • Light that exist in discrete packets is called photons • Each wavelength of light has a characteristic amount of energy • When a photon strikes an object, the photon may be absorbed, transmitted or  reflected. • A pigment molecule absorbs particular wavelengths of light • Sunlight is white light, which consists of all wavelengths in the visible portion of  the electromagnetic spectrum at once • If pigment absorbs all of the visible wavelengths, no visible wavelength of light is  reflected back to your eye and the pigment appears black • Because the pigment molecules in the extract vary on size, solubility or both the  are carried along with the solvent at different rates • Absorption spectrum is a graph plot of light absorbed versus wavelength • There are two major classes of pigments in the plant leaves; chlorophylls and  carotenoids • The chlorophylls consists of chlorophyll­a and chlorophyll­b • The chlorophylls strongly absorb blue and red regions of the visible light • Carotenoids consist of Beta­carotene and xanthophylls • Carotenoids absorb in the blue and green parts of the visible spectrum • Blue and red photons are the most effective at driving photosynthesis because the  chlorophylls absorb these wavelengths, this shows that chlorophyll is the main  photosynthetic pigment • Carotenoids are called accessory pigments because they absorb light and pass  energy on to the chlorophyll • Beta­carotene gives carrots their orange color • Both carotenes and xanthophylls are found in chloroplasts • In autumn, chlorophyll degrades first • Carotenoids absorb wavelengths of light that are not absorbed by chlorophylls and  thus extend the range of wavelengths than can drive photosynthesis • Plants lacking carotenoids rapidly lose their chlorophyll and die. • Carotenoids have a protective function • Flavonoids are normally stored in the vacuoles of leaf cells. Because flavonoids  absorb UV radiation, individuals that lack flavonoids are subject to damage from  the free radicals resulting from the exposure to UV light • Chlorophyll a and b are very similar in structure as well as absorption spectra • Both have two parts; a long tail made of isoprene subunits and a head region  consisting of large ring structures with a magnesium atom in the middle. The tail  keeps the molecule embedded in the thylakoid membrane; the head is where the  light is absorbed • When a photon strikes a chlorophyll molecule, the photon’s energy can be  transferred to an electron in the chlorophyll molecule’s head region. The electron  is excited or raised to a higher electron shell 10.3 • Algal cells studied responded strongly to wavelengths of 700nm and 680nm,  which are In the far­red and red portion of the spectrum • Robert Emerson found out if cells were illuminated with either far­red or red light  the photosynthetic response was moderate but if cells were exposed to a  combination of both the rate of photosynthesis increases dramatically • When both wavelengths were present the photosynthetic rate was much more than  the sum of the rates produced by each wavelength independently. This was called  the enhancement effect •  Plants and green algae have two distinct types of reaction centers rather than one • Robert Hill and Faye Bendall • Photosystem II and photosystem I • According to the two photosystems hypothesis, the enhancement effect occurs  because photosynthesis is much more efficient when the two photosystems are  working together • Thylakoid membranes contain photosystems that differ in structures and  composition but complement each other • How does photosystem II work? o Purple non sulfur bacteria and purple sulfur bacteria o The action begins when the antenna complex transmits energy to the  reaction center and the molecule pheophytin comes to play o Pheophytin is identical to chlorophyll structurally except for the fact that it  lacks a magnesium atom in its head region o Pheophytin acts as an electron acceptor o When an electron in the reaction center chlorophyll is energetically  excited, the electron binds to pheophytin and the reaction center chlorophyll  is oxidized. When the pheophytin is reduced this way, the energy  transformation step that started with the absorption of light is completed o Electron that reach the pheophytin are passed to an electron transport  chain in the thylakoid membrane o In both structure and function, this group of molecules is similar to the  electron transport chain in the membrane of the mitochondria o The electron transport chain associated with photosystem 2 contain several  quinones and cytochromes  o Electron in both chains (mitochondria and chloroplast) participate in a  series of reduction oxidation reactions and are gradually stepped down in  potential energy o The redox reactions result in protons being pumped from one side of an  internal membrane to the other and the resulting proton gradient drives ATP  production via ATP synthase  o Photosystem II triggers chemiosmosis and ATP synthesis in the chloroplast o One of the key molecules involved in the electron transport chain is a  quinone called plastoquinone PQ o Quinones are small hydrophobic molecules o Plastoquinone is lipid soluble and is not anchored to a protein, so it is free  to move from one side of the thylakoid membrane to the other o When it receives electrons from the pheophytin the plastoquinone carries  them to the other side of the membrane and delivers to more electronegative  molecules in the chain. These electron acceptors are found in a complex that  contains a cytochrome similar to other types of cytochromes present in the  mitochondrial membrane o Plastoquinone shuttles electrons from pheophytin to the cytochrome  complex o Electrons are then passed through a series iron and copper containing  proteins in the cytochrome complex. The potential energy released by these  reactions allows protons to be added to other plastoquinone molecules, which  carry them to the lumen side of the thylakoid membrane o The protons transported by plastoquinone results in a large concentration  of protons in the thylakoid lumen. o When photosystem 2 is active the pH of the thylakoid interior reaches 5  while the pH of the stroma is about 8 o The concentration of protons is 1000 times higher in the lumen than in the  stroma o The stroma becomes negatively charged relative to the thylakoid lumen. o The net effect of electron transport is then to set up a large proton gradient  that will drive protons out of the th
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