การสงเคราะหแสง

(Photosynthesis)

รายวชา หลกชววทยา (Principle of Biology) : 01424111

สอนโดย อ.ดร. ปยะมาศ ศรรตน

การสงเคราะหแสง

กระบวนการสงเคราะหแสง

เปนกระบวนการทสงมชวตเปลยน

พลงงานแสงเปนพลงงานเคม โดยเกบ

สะสมไวในสารอนทรยทสงมชวตสราง

ขน และพลงงานเคมทสรางขนน จดวา

เปนแหลงพลงงานทสงมชวตตางๆ ใน

โลกน ไดใชประโยชน

สมการรวมของกระบวนการสงเคราะหแสง

ทมา: http://science6shms.pbworks.com/w/page/25870917/photosynthesis

การสงเคราะหแสง

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, USA.

การสงเคราะหแสง เกดขนทไหน ?

ใบพช -- เปนสวนทมคลอโรฟลลมากทสด

Palisade mesophyll เปนสวนทม

คลอโรพลาสตมากทสด

Spongy mesophyll เปนสวนทเกบแปงซง

เปลยนจากนาตาลทสรางขนจาก Palisade

cell (เกบชวคราว จนกวาจะนาไปใช)

Stoma = ชองวางระหวาง guard cell ทให

กาซผานเขา-ออกทผวใบ

การสงเคราะหแสง

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, USA.

o การสงเคราะหแสงเกดขนทคลอโรพลาสต

o สวนประกอบ

outer membrane

inner membrane

stroma

thylakoid membrane

grana หรอ grana lamellae โดยแตละ

ตงเรยกวา granum

lumen หรอ thylakoid space

องคประกอบทใชในการสงเคราะหแสง

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, USA.

แสงสวาง (Light) --- เปนแหลงพลงงาน

รงควตถ (Photosynthetic pigment) --- สาหรบดดซบพลงงานแสง

คารบอนไดออกไซด (CO2) --- เปนวตถดบ

น า (H2O) --- เปนวตถดบ

แสง (Light)

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, USA.

แสง ทมประโยชนมความยาวชวงคลน 400 -

700 นาโนเมตร ประกอบดวยอนภาคพลงงานท

เรยกวา โฟตอน (Photon) พลงงานของโฟตอน

แปรผกผนกบความยาวคลน

พลงงานแสงถกดดกลนโดยรงควตถ(pigment)

3 กลม คอ คลอโรฟลล คาโรทนอยด และ

ไฟโคบลน (ในพชไมมไฟโคบลน)

การดดกลนพลงงานแสงของรงควตถสอดคลอง

กบประสทธภาพการสงเคราะหดวยแสง

รงควตถ (Photosynthetic pigments)

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, USA.

คลอโรฟลล (Chlorophyll)

เปนอนพนธของสารจาพวก porphyrin

โครงสรางประกอบดวย

- สวนหว (Hydrophilic)

: ทาหนาทดดพลงงานแสง

: เปนไพโรลแบบวงแหวน 4 วง ม Mg อยตรงกลาง

- สวนหาง --> ไฮโดรคารบอนชวยยดกบระบบแสง

** ปกตไมละลายนา แตละลายไดดในตวทาละลาย เชน อเธอร อะซโตน

รงควตถ (Photosynthetic pigments)

คลอโรฟลล (Chlorophyll)

ม 4 ชนด: chlorophyll a, b, c และ d

chlorophyll a --- มสเขยวแกมน าเงน

พบในพชสเขยวและพชทกชนดทสงเคราะหแสงได

chlorophyll b --- มสเขยวแกมเหลอง พบในพชชนสงและสาหรายสเขยว

chlorophyll c --- พบในพชสาหรายสน าตาลและสาหรายสทอง

chlorophyll d --- พบในพชสาหรายสแดง

รงควตถ (Photosynthetic pigments)

แคโรทนอยด (Carotenoid)

เปนรงควตถทมสเหลอง สม แดง น าตาล

เชน carotene, xanthophyll

อยรวมกบคลอโรฟลลในไทลาคอยดเมมเบรน

ดดกลนแสงสน าเงน (400 – 500 nm) แลวถายทอดพลงงานใหคลอโรฟลล

ปกปองคลอโรฟลลไมใหถกทาลาย โดยอะตอมของออกซเจนทเปนอนมลอสระ

ไฟโคบลน (Phycobilin)

เปนรงควตถทไมพบในพชชนสง โดยมากเปนรงควตถเสรมทพบในสาหราย

สน าเงนและสาหรายสแดง

แบงเปน ไฟโคอรทรน ซงดดแสงสเขยว และไฟโคไซยานนดดแสงสสมแดง

Antenna complex

antenna complex คอ การจดเรยงตวอยางเปนระบบของรงควตถตางๆ ทอยท

thylakoid membrane เพอใหการตรงพลงงานแสงมประสทธภาพสงทสด

antenna complex ประกอบดวย แคโรทนอยด คลอโรฟลลบ และคลอโรฟลล เอ ทางาน

รวมกนในการรบพลงงานแสง แลวสงพลงงานนนเขาสศนยกลางปฏกรยา (reaction

center) ซงคอโมเลกลของคลอโรฟลลเอชนดพเศษ 2 โมเลกล

คลอโรฟลลเอชนดพเศษ 2 โมเลกลเมอไดรบพลงงานในชวง

คลนทเหมาะสม อเลคตรอนจะถกกระตนใหมพลงงานสงขนจาก

ภาวะเดมทอยท ground state จะถกกระตนไปอยในภาวะทม

พลงงานสงขน คอ ภาวะ excited state พรอมทจะปลดปลอย

อเลคตรอนน ใหกบตวรบอเลคตรอนตวถดไป

การสงเคราะหแสง

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, USA.

การสงเคราะหแสง แบงเปน 2 ขนตอน เกดตอเนองกนในคลอโรพลาสต

1. ปฏกรยาทใชแสง (Light-dependent reactions)

___________________________________________________________________

2. ปฏกรยาการสราง (Synthesis reaction หรอ Carbon fixation reactions)

___________________________________________________________________

ปฏกรยาทใชแสง (Light-dependent reaction

เปนการเปลยนรปพลงงานแสงเปนพลงงานเคม

กระบวนการทเกดขนบรเวณ thylakoid

รงควตถตางๆ ทอยบรเวณ thylakoid ซงอยรวมกนเปนกลมโดยมการเกาะ

ตวอยกบโปรตนหลายชนด กลมของโปรตนบน thylakoid ทมรงควตถ

ประกอบอยดวยนเรยกวา ระบบแสง (photosystem) ทาหนาทรบพลงงานแสง

มาใชในการสรางสารทมพลงงานสง คอ ATP และ NADPH เพอนาพลงงานท

ไดไปใชในการสรางสารอนทรยในกระบวนการตรงคารบอนไดออกไซดตอไป

ระบบแสง (Photosystem)

การรบแสง เกดท thylakoid โดยระบบแสง (Photosystem)

พชชนสงมระบบแสง 2 ระบบ คอ

Photosystem I

: รงควตถทสาคญ = chlorophyll a

ศนยกลางปฏกรยาท P700

Photosystem II

: รงควตถทสาคญ = chlorophyll a, b และ แคโรทนอยด

ศนยกลางปฏกรยาท P680

ระบบแสงทงสองจะทาหนาทรวมกนเพอใหสามารถเกดการสงพลงงานในการ

สราง ATP และ NADPH

การถายทอดอเลคตรอนและการสงเคราะห ATP

(Photophosphorylation)

เปนกระบวนการทพชใชแสงสวางเพอสรางสารเคมทมพลงงานสง (ATP)

แบงเปน 2 แบบ คอ

อเลคตรอนเคลอนทเปนวฏจกร (Cyclic photophosphorylation)

Photosystem I

ใหสารใหพลงงานสง ATP

อเลคตรอนเคลอนทไมเปนวฏจกร (Noncyclic photophosphorylation)

Photosystem II (P680) และ Photosystem I (P700)

ใหสารใหพลงงานสง ATP

ใหสารใหพลงงานสง NADPH2

ทมา: http://www.mhhe.com/biosci/genbio/raven6b/graphics/raven06b/other/raven06b_10.pdf.

การถายทอดอเลคตรอนแบบไมเปนวฏจกรในปฏกรยาทใชแสง(The noncyclic photophosphorylation)

การถายทอดอเลคตรอนแบบเปนวฏจกรในปฏกรยาทใชแสง(The cyclic photophosphorylation)

ทมา: http://www.mhhe.com/biosci/genbio/raven6b/graphics/raven06b/other/raven06b_10.pdf.

พลงงานแสงทถกถายทอดใน

กรณน จะไมถกนาไปสงเคราะห

NADPH แตสามารถนาไปใช

สราง ATP ได

การถายทอดอเลคตรอนแบบ

เปนวฏจกรน อาจเกดขนไดใน

ภาวะทพชตองการ ATP

เพมขน หรอในภาวะท ไมม

NADP+ เพยงพอทจะนาไปสราง

เปน NADPH

ไมไดใชแสงโดยตรง – ใชผลผลตจากปฏกรยาทใชแสง (NADPH2, ATP)

บรเวณทรบแสงตลอดเวลา

ปฏกรยาทใชแสง และ ปฏกรยาการสราง

เกดพรอมๆกนตลอดเวลา

เกดขน ใน stroma

ปฏกรยาการสราง (Synthesis reaction หรอ Carbon fixation reactions)

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, USA.

เกดขนได 3 แนวทาง

1. กระบวนการตรง CO2 โดยพชซสาม

2. กระบวนการตรง CO2 โดยพชซส

3. กระบวนการตรง CO2 โดยพช CAM

พช C 3 และ พช C4

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, USA.

(ค.ศ. 1950) M. Calvin -- ศกษาการตรง CO2 ในกระบวนการสงเคราะห

แสงของสาหรายสเขยว Chlorella หรอ Scenedesmus

“สารตวแรกทเกดขนจากการตรง CO2 ในกระบวนการสงเคราะหแสง คอ

Phosphoglyceric acid (PGA)”

- สารตวแรกทเขาทาปฏกรยา -- Ribulose bis phosphate (RuBP)

- เรยกวฏจกรกระบวนการสงเคราะหแสงนวา วฏจกรคลวน

6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH2 6(CH2O) + 18 (ADP+Pi) + 12 NADP + 6H2O

กระบวนการตรง CO2 โดยพชซสาม(C3-Carbon fixation pathway)

Calvin cycle

ทมา: http://www.mhhe.com/biosci/genbio/raven6b/graphics/raven06b/other/raven06b_10.pdf.

= Carboxylation

= Reduction

= Regeneration

เกดขนในพชในเขตรอน ทมความเขมของแสงสงและมอณหภมสง เชน ออย

ขาวโพด ขาวฟาง และพชตระกลหญาเขตรอน

M.D. Hatch & C.R. Slack พบวา การตรง CO2 ในใบออย เกดจากปฏกรยา

ระหวาง Phosphoenol pyruvate (PEP) กบ CO2 โดยกจกรรมเอนไซม

Phosphoenol pyruvate carboxylase

- สารตวแรกทเกดขน -- Oxaloacetate (OAA)

- เรยกการตรง CO2 แบบนวา วถซส (C4-pathway)

กระบวนการตรง CO2 โดยพชซส(C4-Carbon fixation pathway)

C4-pathway

พช C4 เปนพชทมการตรง CO2 2 ครง

- ครงท 1 ..........................................

- ครงท 2 ..........................................

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, USA.

จากกลไกการตรง CO2 ดงกลาวจงทาใหความ

เขมขนของ CO2 บรเวณ bundle sheath

cell ของพช C4 จงสงกวาบรเวณ

mesophyll cell ของพช C3

พบในพชทขนในทแหงแลง -- พชอวบน า กระบองเพชร กลวยไม สบปะรด

ปากใบเปดเวลากลางคน -- พชดด CO2 เขาไปมาก

--> เกดการสรางกรดอนทรยมาก

กลางวนพชปดปากใบ

--> ปรมาณกรดลดลง ถกดงไปใชใน metabolism

--> น าตาลหรอคารโบไฮเดรตเพมสงขน

กระบวนการตรง CO2 โดยพช CAM(CAM cycle)

ทมา: Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin.

2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole,

Cengage Learning, USA.

กระบวนการตรง CO2 โดยพช CAM(CAM cycle)

ทมา: http://image.dek-d.com/26/2404248/112744002

พชเปดปากใบในเวลากลางคน

CO2 จะเขาสใบทางปากใบไปท

เซลลมโซฟล มการตรง CO2 ดวย

phosphoenolpyruvate (PEP) ได

oxaloacetate และเปลยนไปเปน

malate ไปเกบสะสมไวในแวคว

โอล

ในเวลากลางวนปากใบปด

มการเคลอนยาย malate ออก

จากแวควโอล เพอทาปฏกรยา

ปลอย CO2 ออกจาก malate

(Decarboxylation) แลวเขาส

กระบวนการตรง CO2 ในวฎจกร

คลวนตามปกต

เอกสารอางอง

Solomon, E.P., L.R. Berg and D.W. Martin. 2011. Biology, Ninth Edition. Brooks/Cole, Cengage

Learning, USA.

Purves, W.K., G.H. Orians, and H.C. Heller. 1995. Life: The Science of Biology, 4th Edition. Sinauer

Associates, Sunderland.

http:// highered.mheducation.com/sites/dl/free/.../mad25502_ch08.pdf

http:// www.mhhe.com/biosci/genbio/raven 6b/graphics/raven06b/other/reven06b.09.pdf