การสังเคราะห์ด้วยแสง ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ Photosynthesis การสังเคราะห์ด้วยแสง นพมณี โทปุญญานนท์ ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยแม่โจ้

การสังเคราะห์แสง คืออะไร กระบวนการที่พืชสีเขียวนำพลังงานแสง และเปลี่ยนแปลงเป็น พลังงานเคมี สะสมในโมเลกุลของ สิ่งมีชีวิต

สิ่งที่ต้องศึกษา 1. โครงสร้างพืชที่เกี่ยวข้อง 2. แสง 3. Chroloplast - หน่วยการสังเคราะห์แสง 4. ปฏิกริยาที่เกิดขึ้น

พืช Chloroplast and Chlorophyll ใบต้องมีลักษณธแผ่และบางเพื่อประโยชน์ในการรับแสงให้มากที่สุด Mesophyll cells ประกอบด้วย palisade and spongy

Chloroplast and Chlorophyll ใบต้องมีลักษณธแผ่และบางเพื่อประโยชน์ในการรับแสงให้มากที่สุด Mesophyll cells ประกอบด้วย palisade and spongy

lumen

รงควัตถุในพืช 1. Chlrolophyll 2. Carotenoid อยู่บน Thylakoid

Chlorophyll - fat soluble pigments - พบใน พืช แอลจี และแบคทีเรีย - พบใน พืช แอลจี และแบคทีเรีย - ดูดแสง 400-500 nm (ม่วง-น้ำเงิน) 600-700 nm (ส้ม-แดง) - มีหลายชนิด chl a, b, c, d

โครงสร้างรงควัตถุต่าง ๆ porphyrin Phytol chain pheophytin Chl b Chl a lutein B carotene

Chlorophyll a C55H72O5N4Mg สีเขียว พบในสิ่งมีชีวิตที่ PS ได้ ยกเว้น PS-bacteria absorption spectrum 430 และ 662 nm Chlorophyll b C55H70O6N4Mg สีเขียวแกมน้ำเงิน พบในพืช สาหร่ายสีเขียว และ prokaryote บางชนิด absorption spectrum 453 และ 642 nm

Carotenoids - พบในสิ่งมีชีวิตที่ PS ได้ - fat soluble ไม่มี oxygen - ดูดซับแสง 460 และ 550 nm - สีแดง ส้ม เหลือง - ช่วยป้องกันการเกิด photo-oxidation beta - carotene, Lutein Xanthophylls มีหลายรูปแบบ พบในแอลจี และ พืชชั้นสูง Phycobilins (phytocyanin and phycoerythrin) พบในสาหร่ายสีแดง และ cyanobacteria

รงควัตถุเสริม - Chlorophyll c and d - phytoerythrin - phycocyanin red algae และ cyanobacteria

รายละเอียดโครงสร้างของ Chloroplast หน่วยทำงานของการสังเคราะห์แสง - photosystem I - photosystem II - Cytochrome b6f - ATP synthase อยู่ใน grana

การเรียงตัวของหน่วยของกระบวนการสังเคราะห์แสง Cyt b6f ATP synthase Light harvesting complex PS II complex PS I complex

PS I ส่วนประกอบของ PS I - Reaction center (special pair of chl a) ที่ดูดแสง 700 nm (P700) - โปรตีน, เปปไทด์ - chlorophyll a ประมาณ 200 โมเลกุล - chlorophyll b, carotenoids antenna complex

PS I - อยู่ใน thylakoid membrane ที่อยู่ติดกับ stroma ผ่าน e- carrier ให้ NADP+ - หน้าที่ รับพลังงานแสงและขนส่ง e-

PS II ส่วนประกอบของ PS II - Reaction center - special pair of chl a ที่ดูดแสง 680 nm (P680) - cytochrome b599 - polypeptide 2 ชนิด - Protein - Pigments (antenna complex) - กลุ่ม manganese - tyrosine residue (การแตกตัวของน้ำ)

PS II - อยู่ใน thylakoid membrane ภายใน grana - หน้าที่จะ oxidize โมเลกุลของน้ำและให้ e- เพื่อเข้าสู่ PS I

องค์ประกอบอื่นที่สำคัญ และเกี่ยวข้องกับ PS - Cytochrome b6f - ATP synthase

แสง - คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic) - ช่วงแสงที่สามารถมองเห็น คลื่นแสงสั้น พลังงานมาก คลื่นแสงยาว พลังงานต่ำ - คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic) - ช่วงแสงที่สามารถมองเห็น 390 - 760 nm ช่วงแสงที่พืชใช้ในการสังเคราะห์แสง 400-700 nm

แสงเป็นอานุภาคที่เรียกว่า PHOTON อนุภาคมีพลังงานที่เรียกว่า Quantum ความเข้มแสง (light intensity-brightness) - คือจำนวนโฟตอน หรือ ปริมาณพลังงานที่ถูก ดูดซับต่อหน่วยเวลา แต่ละโฟตอนจะมีปริมาณพลังงานตามกำหนด ตามการสั่นสะเทือนของโฟตอน - ระยะทางการสั่นสะเทือนที่สมบูรณ์ของโฟตอน เรียกว่า คลื่นแสง (wavelength)

แสงที่เป็นประโยชน์ต่อการสังเคราะห์แสง 1. Photosynthetically active radiation (PAR) แสงที่คลอโรฟิลล์ดูดซับไว้ (400-700 nm) 2. Photosynthetic photon flux density (PPFD) ปริมาณหรือความเข้มข้นของโฟตอน ที่กระทบใบพืช

อย่าลืม! แสงยังเกี่ยวข้องกับกระบวนการอื่น ๆ ของพืช เช่น การออกดอก การงอก

การถ่ายเทพลังงาน

Fluorescence Heat resonance energy transfer sucessive electron transfer

Light Harvesting System

การเรียงตัวของหน่วยของกระบวนการสังเคราะห์แสง Cyt b6f ATP synthase Light harvesting complex PS II complex PS I complex

Photosynthesis 1. Photochemical reaction (light reaction) 2. Biochemical reaction (dark reaction)

ภาพรวม Photochemical และ Biochemical reactions

Photochemical reaction (light reaction) photophosphorylation Non-cyclic Cyclic

Z - scheme

Cyclic photophosphorylation

Photochemical reaction 2H2O + 2NADP+ + 3Pi + 3ADP 8 photons O2 + 2NADPH + 2H+ + 3ATP + 4e-

Biochemical reaction (dark reaction) light-independent reaction 1. Carbon fixation 2. Reduction 3. regeneration

Calvin Cycle C3 plant

1. Carbon fixation RUBISCO

2. reduction

3. regeneration

Calvin Cycle C3 plant

Photorespiration เกิดในพืช C3 - hot (สูงกว่า 28 C) and dry climate - low CO2 50 ppm - rubisco ตรึง O2 และให้ CO2 - ไม่เหมือนการหายใจ เพราะไม่ให้ ATP แต่ใช้ ATP - การสูญเสียสูงถึง 25 %

2C-amino acid Serine -3C Glycerate-2-phosphate Glycolate

- ใน 1 วินาทีแรก 80% เป็น กรด 4C malic acid C4 photosynthesis - ใน 1 วินาทีแรก 80% เป็น กรด 4C malic acid CO2 ถูกตรึงที่ mesophyll แต่ไม่มี rubisco

Kranz anatomy (halo, wreath)

Phosphoenolpyruvic acid (PEP) 3C Oxaloacetic acid (OAA) 4C malic or aspartic acid (4C) Pyruvic acid ( 3C) C 4 reaction

C4 plant - No photorespiration - CO2 ต่ำได้ถึง 0 - all C4 are angiosperm : 17 families - เช่น ขัาวโพด, มิลเลท, อ้อย, Bermuda grass - ไม่พบ C4 gymnosperm, bryophyta หรือ algae

แต่ทำไมพืช C4 จึงไม่ครองโลก 6CO2 + 30ATP + 12NADPH + 12H2O C6H12O6 + 30ADP+ 30Pi + 12NADP+ + 6H2O + 6O2 6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H2O C6H12O6 + 18ADP+ 30Pi + 12NADP+ + 6H2O + 6O2 C4 C3 เมื่อไม่ร้อน และ แห้ง

metabolism (CAM) plant Crassulacean acid metabolism (CAM) plant - พบในพืชที่อยู่ที่แห้งแล้งมาก - ตรึง CO2 ในเวลากลางคืน ได้กรด 4C เก็บไว้ใน vacuole - กลางวันเข้าสู่ calvin cycle - เกิดในเซลล์เดียวกัน

CAM Plant

การนำความรู้ที่ได้มาใช้ประโยชน์ การปรับปรุงพันธุ์ข้าว ให้มีระบบ C4 หลักการ - ข้าว (พืช C3) ข้าวโพด (พืช C4)

เปลี่ยน โครงสร้างของใบ ??? เปลี่ยน biochemical pathway ใส่ยีนส์ของข้าวโพด 3 ตัว - phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) - pyruvate orthophoasphate dikinase (PPDK) - NADP-malic enzyme (ME) ที่จีน เกาหลี ลองปลูกได้ ผลผลิตเพิ่ม 30-35%