chapter 5 - photosynthesis · photosynthesis. plants can carry out photosynthesis because their...

12
Chapter 5 – Photosynthesis 47 Chapter 5 Photosynthesis A leaf is an organ in plants that carries out photosynthesis because it contains the largest amount of chloroplasts. The following diagram shows the crosssectional view of a typical leaf structure. Figure 5.1 Leaf Leaf Structures and its Functions Palisade mesophyll layer: cells are regular, an elongated shape, and contain a lot of chloroplasts for photosynthesis. Spongy mesophyll layer: cells are an irregular shape to provide a lot of air space for gas exchange. Waxy cuticle: a waterproof layer on the upper epidermis, sometimes on the lower epidermis as well, to prevent water loss from the plant. Upper and lower epidermis: a onecell thick layer to protect the internal leaf structure Stomata: pores on the lower epidermis that allow substances to move in and out of the leaf. Guard cells: cells located next to the stomata that control the opening or closing of the stomata. Vascular bundle (vein): contains xylem and phloem tissues for water and sugar transport respectively.

Upload: others

Post on 09-Jul-2020

32 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Chapter 5 – Photosynthesis   

              47 

 

Chapter 5 Photosynthesis  A leaf is an organ in plants that carries out photosynthesis because it contains the largest amount of chloroplasts. The following diagram shows the cross‐sectional view of a typical leaf structure.   

  Figure 5.1 Leaf  Leaf Structures and its Functions  Palisade mesophyll  layer: cells are regular, an elongated shape, and contain a  lot of chloroplasts for photosynthesis.  Spongy mesophyll layer: cells are an irregular shape to provide a lot of air space for gas exchange.  Waxy cuticle: a waterproof layer on the upper epidermis, sometimes on the lower epidermis as well, to prevent water loss from the plant.  Upper and lower epidermis: a one‐cell thick layer to protect the internal leaf structure  Stomata: pores on the lower epidermis that allow substances to move in and out of the leaf.   Guard cells: cells located next to the stomata that control the opening or closing of the stomata.  Vascular bundle (vein): contains xylem and phloem tissues for water and sugar transport respectively.   

        Chapter 5 – Photosynthesis    

48 

 Plants  are  autotrophic  organisms  that  can  produce  their  own  food  by  converting  light  energy  to chemical energy. The chemical energy  is stored  in sugar; for example glucose. This process  is called photosynthesis. Plants  can carry out photosynthesis because  their chloroplasts contain chlorophyll, the green pigment that absorbs sunlight.   

  Figure 5.2 Structure of chloroplast   In  chloroplasts,  chlorophyll  is  located  on  the  thylakoid  membrane.  There  are  different  types  of chlorophyll,  for  example  chlorophyll  a,  chlorophyll  b  and  carotenoid.  Chlorophyll  a  is  the major photosynthetic pigment. Its color  is green because  it absorbs all colors (mainly red and blue) except green. Chlorophyll b and carotenoids are regarded as accessory pigments, i.e., they help chlorophyll a to absorb more light energy for photosynthesis. The wavelength that they absorb is slightly different from the chlorophyll a. Therefore, this can broaden the  light spectrum that can be used to produce sugar.   Photosynthetic pigments are clustered together to form complexes on the thylakoid membrane. The complexes of pigments are called photosystems (PS). There are two different types of photosystems: photosystem I and II. In each photosystem, chlorophyll a is located at the center and is known as the reaction  center. Other  accessory pigments  surround  the  reaction  center  to  assist  light  absorption. Photosystem I and II absorb slightly different wavelengths, 700 and 680 nm respectively.     

Chapter 5 – Photosynthesis   

              49 

  Figure 5.3 Absorption spectra for different chlorophyll types   Overview of Photosynthesis   

6CO2 + 6H2OLight

ChlorophyllC6H12O6 + 6O2

   Photosynthesis is illustrated by the above equation. The oxygen produced comes from water. This is because water  is broken down by sunlight, which  is absorbed by chlorophyll. This reaction  is called photolysis, which releases oxygen gas. Besides oxygen, photolysis also releases hydrogen from water. This hydrogen  is then fixed  into carbon dioxide to form sugars. Therefore, photosynthesis  is divided into  two processes: a  light‐dependent  reaction, which  involves  the breaking down of water, and a light‐independent reaction, which involves the fixation of hydrogen into carbon dioxide. They occur at the thylakoids and stroma respectively.   As mentioned above, water  is broken down, and hydrogen  is released  in  light‐dependent reactions. This  hydrogen  is  carried  by  NADP+  in  a  form  of  NADPH.  ATP  is  also  formed  in  light‐dependent reactions  because  energy  is  required  to  fix  hydrogen  into  CO2  to  form  sugar  in  light‐independent reactions.             

        Chapter 5 – Photosynthesis    

50 

 Light‐dependent Reaction  When light hits photosystem II (PSII) and photosystem I (PSI), electrons from the reaction centers are activated.  The  excited  electrons  from  PSII  release  energy  when  they  pass  through  an  electron transport chain  (ETC). The energy  is  for pumping the hydrogen  ions  (i.e. protons)  into the thylakoid space by  active  transport. This establishes  a high  concentration of hydrogen  ions  in  the  thylakoid. Therefore  hydrogen  ions  diffuse  across  the  ATP  synthase, which  are  also  located  on  a  thylakoid membrane,  for ATP  formation.  Since  the  energy  comes  from  light,  the  formation  of ATP  is  called photo‐phosphorylation.   The excited electrons from PSI can either combine with NADP+ and hydrogen ions to form NADPH, or pass through the ETC to produce more ATP by photo‐phosphorylation.   The electrons in PSI either come from PSII or self‐replenish by PSI itself after passing through the ETC. The  electrons  in  PSII,  however,  come  from  water,  when  water  is  broken  down  in  photolysis.  In photolysis, water is broken down into oxygen, hydrogen ions and electrons. The electrons fill up the space  in PSII, while hydrogen  ions  are pumped  into  thylakoid  space  for  the  formation of ATP  and NADPH, and oxygen is released for respiration.   

   Figure 5.4 The energy change in light‐dependent reaction 

Chapter 5 – Photosynthesis   

              51 

  

  Figure 5.5 The light‐dependent reaction in thylakoid       Light‐independent Reaction  Light‐independent reactions, also called Calvin cycles, occur at the stroma. In this process, CO2, which comes from the atmosphere, is accepted by an intermediate called RuBP in the Calvin cycle. RuBP is a 5‐C molecule containing 2 phosphate groups. An enzyme called rubisco (RuBP carboxylase) is required for  this  reaction,  called  carbon  fixation.  In  this  carbon  fixation, a 6‐C molecule  is  formed, and  this molecule is very unstable. It breaks down immediately into two 3‐C molecules called PGA. PGA is then reduced  by  NADPH,  with  the  energy  from  ATP,  to  form  PGAL,  which  is  also  called  G3P.  G3P  is regarded as the first product in the Calvin cycle, or photosynthesis. Some G3P is further modified to become other sugars,  like glucose; the remaining G3P  is regenerated to RuBP, with the energy from ATP.           

        Chapter 5 – Photosynthesis    

52 

   

Figure 5.6 Calvin cycle  Other types of Photosynthesis  The plants that use CO2 directly from the air to produce sugars are called C3 plants. This is because the first organic compound produced is a 3‐C compound (G3P). One of the problems in growing C3 plants is  that dry weather  can  reduce photosynthesis,  and  in  turn decrease  the  crop productivity. This  is because, on a hot and dry day, leaves close their stomata, and less CO2 is available for photosynthesis. If  CO2  content  is  very  low,  and  O2  content  from  light‐dependent  reaction  builds  up,  rubisco will combine RuBP with O2 and produce CO2 and H2O. This process which wastes a large amount of energy is called photorespiration.   Plants  that  live  in  dry  environments  use  alternative  processes  to  prevent  photorespiration  from occurring.  C4  and  CAM  plants  are  examples  of  plants  that  live  in  dry  environments,  and  they  use different ways to produce sugars.           

Chapter 5 – Photosynthesis   

              53 

 C4 plants  In C4 plants, two different cells are  involved  in photosynthesis. They are mesophyll cells and bundle sheath cells. Mesophyll cells carry out normal light‐dependent reactions to produce ATP and NADPH. In addition, CO2 is modified to a 4‐C molecule to act as a shuttle of CO2. This 4‐C molecule, together with ATP and NADPH, move into a bundle sheath cell. The 4‐C molecule is then converted back to CO2 in the bundle sheath for the Calvin cycle to produce sugar. This process can prevent O2 from the light reaction that occurs in the mesophyll cell from reacting with rubisco and RuBP in the bundle sheath. Rubisco then can combine RuBP and CO2 to form sugar.  

  Figure 5.7 C4 photosynthesis  CAM plants  CAM, which stands for crassulacean acid metabolism (CAM), is another process that occurs in plants living  in hot and dry environments such as cacti. The cactus usually opens  its stomata at night and closes  them  in  the daytime because  the  temperature  is  relatively  low at night. So during  the  time when the stomata are opened, the plants obtain CO2 from the surroundings. The CO2 is converted to a 4‐C molecule, which acts as a CO2 store. The 4‐C molecules release CO2 when light is available in the daytime. So  in  the daytime when  light  is available, ATP and NADPH, which are  formed  in  the  light‐dependent reactions, can work with the CO2 in the Calvin cycle.   

        Chapter 5 – Photosynthesis    

54 

  Figure 5.8 CAM photosynthesis  Practice Questions  Questions 1‐3 refer to the following molecules.  A. NADH B. Sugars C. CO2 D. O2 E. NADPH  1. It is the product of a light‐dependent reaction that is used in the Calvin cycle.  2. It reacts with RuBP in the Calvin cycle. 3. It reduces PGA into G3P in the Calvin cycle.   4. All of the following are correct about a light‐dependent reaction EXCEPT: 

A. It takes place at the stoma.  B. It produces ATP and NADPH.  C. It releases oxygen in photolysis. D. It includes photo‐phosphorylation.  E. It uses light as the ultimate source of energy.  

 5. Which of the following molecules is/are product(s) of light‐dependent reactions? 

A. NADH B. ATP C. O2 D. A and B E. B and C 

 

Chapter 5 – Photosynthesis   

              55 

 6. Green light is the least effective for photosynthesis because 

A. carotenoid is green. B. chlorophyll can only reflect red and green. C. green light is used for the light‐dependent reaction only. D. green light is reflected by the chlorophyll. E. green light is absorbed by the mitochondria for respiration. 

 7. Which of the following molecules is the first product of the Calvin cycle? 

A. CO2 B. RuBP C. PGA D. G3P E. NADPH 

 8. Which of the following is correct about a C4 plant? 

A. It uses mitochondria to produce NADPH for the Calvin cycle. B. It uses photorespiration to produce sugars. C. It uses a 4‐C molecule as the source of CO2 for the Calvin cycle. D. It uses a 4‐C molecule as the source of O2 for photorespiration.  E. It uses the upper epidermis to carry out the Calvin cycle.  

 9. Which of the following is the major difference between PSI and PSII? 

A. PSI has more pigments than PSII. B. PSI is the first reaction site for light‐dependent reactions, while PSII is the second. C. PSI is more reactive by absorbing 700nm, whereas PSII is more reactive by absorbing 680nm. D. PSII is the reaction center for photolysis, whereas PSI is the reaction center for the Calvin cycle. E. PSII is located on the thylakoid membrane, while PSI is at the stroma.  

 10. The electron transport chains for light‐dependent reactions 

A. are located on the outer membrane of chloroplasts. B. produce O2. C. transport ATP to the stroma for the Calvin cycle. D. transport hydrogen ions into the thylakoid. E. transport O2 to the stroma for forming sugars. 

 11. The electrons released from the reaction centers of PSII are replaced by the electrons from the 

A. PSI. B. other pigments in PSII. C. NADPH. D. ATP. E. H2O. 

    

        Chapter 5 – Photosynthesis    

56 

 Questions 12‐15 refer to the following terms:  A. Upper epidermis B. Lower epidermis C. Guard cells D. Vascular bundles E. Palisade mesophyll layer  12. Contains stomata for gases exchange. 13. Controls the opening of the stomata. 14. Contains tissues to transport water and nutrients. 15. Contains cells that have a lot of chloroplasts for photosynthesis.  Answers  1. E 2. C 3. E 4. A 5. E 6. D 7. D 8. C 

9. C 10. D 11. E 12. B 13. C 14. D 15. E 

                     

Chapter 5 – Photosynthesis   

              57 

 Notes:                                             

        Chapter 5 – Photosynthesis    

58 

 Notes: