การสงเคราะหแสง Photosynthesis ผศ. ดร.ปวณา ภมสทธาผล

หลกสตรเทคโนโลยชวภาพ คณะวทยาศาสตร

มหาวทยาลยแมโจ 1

การสงเคราะหแสง กระบวนการทพช (สาหรายและแบคทเรย) เปลยนพลงงานแสง ใหมาอยในรปพลงงานเคมในโมเลกลของสารอนทรย สรางอาหารเพอการด ารงชวตของพช ให O2 แกบรรยากาศ ลดปรมาณ CO2

2

3

แสงทตามองเหน (Visible light)

- คลนแมเหลกไฟฟาชนดหนง มความยาวคลน 400-700 nm ซงเปนชวงทพชน าไปสงเคราะหแสงได

4

รงควตถสงเคราะหแสง

- ท าหนาทรบพลงงานแสงในกระบวนการสงเคราะหแสง

- รงควตถ (pigment) ทพชใชในการสงเคราะหแสง แบงเปน 3 กลม ตามโครงสรางโมเลกล ไดแก

Chlorophylls Carotenoids Phycobillins

5

Chlorophylls - รงควตถสเขยว

- สวนหวประกอบดวย tetrapyrrole ring ซงเปน porphyrin-like structure ม Mg2+ อยกลาง tetrapyrrole ring

- สวนหางประกอบดวย hydrocarbon chain

- ไดแก chlorophyll a, chlorophyll b, chlorophyll c และ chlorophyll d และแบคทเรยยงม bacteriochlorophyll

6

Chlorophylls (ตอ)

tetrapyrrole ring (head)

hydrocarbon chain (tail)

7

Carotenoids - ม 2 ประเภท คอ carotene (สสม) และ xanthophyll (สเหลอง) - ประกอบดวย hydrocarbon chain ทมคารบอน 40 อะตอม xanthophyll มออกซเจนเปนองคประกอบในโมเลกลดวย

8

Phycobillins หรอ Billins - มโครงสรางเปน open chain tetrapyrrole ม 3 ชนด คอ phycoerythrin, phycocyanin และ allophycocyanin ซงไมพบ ในพชชนสง แตพบเฉพาะใน cyanobacteria และสาหรายสแดง

9

Absorption spectra

10

Chloroplast

Chloroplast

LEAF CROSS SECTION MESOPHYLL CELL

LEAF Chloroplast

Mesophyll

CHLOROPLAST

Intermembrane space

Outer membrane

Inner membrane

Thylakoid lumen

Thylakoid Stroma

Granum

Stroma Grana

คลอโรพลาสต

11

คลอโรพลาสต (ตอ) - ทเยอหมไทลาคอยดของคลอโรพลาสตมรงควตถตาง ๆ ฝงอย ไดแก chlorophylls และcarotenoids

12

ปฏกรยาคารบอน เกดทสโตรมา

ปฏกรยาแสง เกดทกรานมและ เยอหมไทลาคอยด

• ปฏกรยาแสง (Light reaction): รงควตถดดซบพลงงานแสงเพอใชในการสรางสารพลงงานสง (ATP, NADPH)

Light + 2H2O O2 + 3ATP + 2NADPH

• ปฏกรยาคารบอน (Carbon reaction, Calvin cycle): การสรางน าตาลจาก CO2

6CO2 + 12NADPH + 18ATP C6H12O6 + 12NADP+ + 18ADP + 18Pi

*ATP ใหพลงงานในการสรางน าตาล, NADPH ใหอเลคตรอนส าหรบการรดวซ CO2 ใหเปนกลโคส

กลไกในการสงเคราะหแสง

13

ปฏกรยาคารบอน ปฏกรยาแสง

14

ปฏกรยาแสง Light reaction

Photochemical reaction

15

ระบบแสง (Photosystem) - กลมโปรตนเชงซอนฝงอยในเยอหมไทลาคอยด มหนาทรบพลงงานแสง ประกอบดวย (1) antenna complex: กลมรงควตถทจดเรยงตวอยางเปนระบบ (chl a, chl b, carotene และ xanthophyll ประมาณ 200-300 โมเลกล) (2) reaction center: chl a ชนดพเศษ 2 โมเลกล (1 ค) และตวรบ อเลคตรอนตวแรก (primary electron acceptor) - กลมรงควตถใน antenna complex รบพลงงานแสงแลวสงพลงงาน เปนทอด ๆ มายง reaction center ท าใหอเลคตรอนของ reaction center อยในสภาวะถกกระตน (excited state) และพรอมทจะ ถายทอดไปยงตวรบอเลคตรอนตวแรก 16

การถายทอดพลงงานในระบบแสง

17

กลมโปรตนเชงซอนทท างานในปฏกรยาแสง

(1) Photosystem I (PS I) - เกดปฏกรยาไดเมอรบแสงความยาวคลน < 700 nm - reaction center เรยกวา P700 (2) Photosystems II (PS II) - เกดปฏกรยาไดเมอรบแสงความยาวคลน < 680 nm - reaction center เรยกวา P680

* ทงสองระบบยงประกอบดวยโปรตนชนดตางๆ ทเกยวของกบปฏกรยาแสง ตวรบอเลคตรอนหลายชนด และท PS II ยงมเอนไซมทเรงปฏกรยาการแตกตวของน า (photolysis)

18

กลมโปรตนเชงซอนทท างานในปฏกรยาแสง (ตอ)

(3) Cytochrome b6f complex - กลมโปรตนทมตวรบสงอเลคตรอน cytochrome b6 และ cytochrome f เปนองคประกอบ - เกยวของกบการเปลยนพลงงานเคมมาเปนพลงงานไฟฟาเคม ซงจะถกน าไปใชสราง ATP โดย ATP synthase

(4) ATP synthase มโครงสรางหลกสองสวน - สวนแรกฝงอยในเยอไทลาคอยด ภายในเปนชองทโปรตอน (H+) สามารถเคลอนออกมาสสโตรมา - สวนทสองยนออกจากเยอไทลาคอยดมายงสโตรมา เปนสวนทเรง ปฏกรยาการสราง ATP จาก ADP และ Pi

19

การถายทอดอเลคตรอนแบบไมเปนวฏจกร (Non-cyclic electron transfer)

- พบในแบคทเรย สาหรายและพชชนสง

- เมอสนสดปฏกรยาแสงจะไดพลงงานเคมในรป NADPH และ ATP และผลพลอยไดเปน O2 จากการแตกตวของน า

20

การถายทอดอเลคตรอนแบบไมเปนวฏจกร (ตอ)

มล าดบเหตการณ ดงน... (1) รงควตถใน antenna complex ของ PS II ไดรบพลงงานแสงแลวสง ตอเปนทอด ๆ มายง P680 ท าใหอเลคตรอนของ P680 อยในสภาวะ ถกกระตนและถกถายทอดไปยงตวรบอเลคตรอนตวแรกของ PS II

(2) ใน PS II มเอนไซมเรงปฏกรยาการแตกตวของน า ซง P680 ทขาด อเลคตรอนจะชงอเลคตรอนจากโมเลกลของน า เกดเปน O2, โปรตอน และอเลคตรอน

Hill’s reaction: H2O 1/2O2 + 2H+ + 2e-

21

การถายทอดอเลคตรอนแบบไมเปนวฏจกร (ตอ)

(3) อเลคตรอนทถกตวรบอเลคตรอนตวแรกของ PS II รบไปแลวจะถก ถายทอดเปนล าดบ แลวสงใหกบ plastoquinone ซงจะสงให cytochrome b6f complex ตอไป

(4) ขณะทถายทอดอเลคตรอนผาน cytochrome b6f complex จะเกด พลงงานจากปฏกรยาเคม ซงถกน ามาใชขนสงโปรตอนจากสโตรมา เขามาเกบไวใน thylakoid lumen

22

การถายทอดอเลคตรอนแบบไมเปนวฏจกร (ตอ) ** การสะสมโปรตอนจ านวนมากใน thylakoid lumen ทงทเกดจากการแตก ตวของน า (ขนตอนท 2) และการถายทอดอเลคตรอนผาน cytochrome b6f complex (ขนตอนท 4) ท าใหเกดศกยไฟฟาเคมเนองจากความ แตกตางของปรมาณโปรตอนใน thylakoid lumen และสโตรมา เรยกวา proton gradient ซงสามารถผลกดนใหเกดปฏกรยาการสงเคราะห ATP โดยกลไกทเรยกวา chemiosmosis

23

การถายทอดอเลคตรอนแบบไมเปนวฏจกร (ตอ)

(5) plastocyanin เปนตวรบอเลคตรอนจาก cytochrome b6f complex เพอไปทดแทนอเลคตรอน P700 ทสญเสยไปใหกบตวรบอเลคตรอน ใน PS I

* การสญเสยอเลคตรอนจาก P700 ของ PS I เปนไปเชนเดยวกบทเกดใน PS II

(6) ตวรบอเลคตรอนใน PS I สงอเลคตรอนเปนทอด ๆ จนถง ferredoxin ทอยในสโตรมา ซงจะสงตอใหตวรบอเลคตรอนตวสดทาย คอ NADP+ ทอยในสโตรมาเชนกน โดยม ferredoxin-NADP reductase เรง ปฏกรยาไดเปน NADPH และโปรตอนในสโตรมา

24

Non-cyclic electron transfer

อเลคตรอนทหลดออกจาก PS I มศกยรดวซสงกวาอเลคตรอนทถกกระตนจาก PS II ท าใหลกษณะการไหลของอเลคตรอนคลายรปตว Z ตะแคง (Z-Scheme) 25

การสงเคราะห ATP โดยกลไก Chemiosmosis

- proton gradient ระหวาง thylakoid lumen และสโตรมา เกดขน เนองจากการแตกตวของน าและการถายทอดอเลคตรอนผาน cytochrome b6f complex สามารถผลกดนใหเกดการปฏกรยาการ สงเคราะห ATP ไดโดย ATP synthase ทอยบรเวณเยอหมไทลาคอยด

- ATP synthase จะปรบ proton gradient ใหเขาสสมดล โดยปลอย โปรตอนจาก thylakoid lumen กลบสสโตรมา ผานทางโครงสรางของ ATP synthase ศกยไฟฟาเคมจะเปลยนเปนพลงงานในพนธะฟอสเฟต ในโมเลกล ATP ทสรางขน เรยกกลไกนวา chemiosmosis และเรยก การสงเคราะห ATP ในปฏกรยาแสงวา photophosphorylation

26

Thylakoid lumen (high H+)

Thylakoid membrane

Stroma (low H+)

Light

Antenna molecules

Light

ELECTRON TRANSPORT

CHAIN

PHOTOSYSTEM II PHOTOSYSTEM I ATP SYNTHASE

27

การสงเคราะห ATP โดยกลไก Chemiosmosis (ตอ)

การถายทอดอเลคตรอนแบบเปนวฏจกร (Cyclic electron transfer)

- พบในแบคทเรยสงเคราะหแสง และพชชนสงในบางสภาวะ

- เมอแสงกระตนใหเกดการถายทอดอเลคตรอนจาก reaction center ไปยงตวรบอเลคตรอนตาง ๆ จนถง ferredoxin แต ferredoxin ไม สามารถสงอเลคตรอน ให NADP+ ได แตกลบสงให cytochrome b6f complex แทน

28

การถายทอดอเลคตรอนแบบเปนวฏจกร (ตอ)

- ขณะทสงอเลคตรอนผาน cytochrome b6f complex กมการเคลอน ยายโปรตอนจากสโตรมาเขาส thylakoid lumen ดวย จะท าใหเกด proton gradient ซงสามารถผลกดนใหเกดการสงเคราะห ATP โดย ATP synthase โดยกลไก chemiosmosis

- ในทสดอเลคตรอนถกสงไปยง plastocyanin และสงกลบไปท P700 ใน PS I ทเสยอเลคตรอนไป

- เมอสนสดปฏกรยาแสงจะไดพลงงานเคมในรป ATP เทานน แตไมได NADPH

29

Cyclic electron transfer

30

ปฏกรยาคารบอน Carbon reaction Biochemical reaction Light-independent reaction Calvin cycle

31

วฏจกรคลวน (Calvin cycle)

- กระบวนการเปลยนคารบอนอนนทรย (CO2) ใหอยในรปของ คารบอนอนทรย (น าตาล) โดยใชพลงงานจาก ATP และ NADPH ทไดจากปฏกรยาแสง

- เกดขนทสโตรมา ประกอบดวย 3 ระยะ ระยะท 1: การตรงคารบอน (carbon fixation / carboxylation) ระยะท 2: การรดวซ (reduction) ระยะท 3: การสรางทดแทน (Regeneration)

32

ขนตอนในวฏจกรคลวน

(1) การตรงคารบอน: - CO2 ถกน ามารวมกบสารทม 5C คอ ribulose-1,5- bisphosphate (RuBP) โดยมเอนไซม RuBP carboxylase oxygenase (Rubisco) เรงปฏกรยา เกดเปนสารอนทรยทม 6C ทไมเสถยร จงแตกตวเปนสารอนทรย ทม 3C คอ phosphoglycerate (PGA) 2 โมเลกล

33

ขนตอนในวฏจกรคลวน (ตอ) (2) การรดวซ: - เกดปฏกรยารดกชนของ PGA เพอสรางเปนน าตาลในรปของ glyceraldehyde-3-phosphate (PGAL หรอ G3P) ซงม 3C จ านวน 2 โมเลกล

* PGA ท าปฏกรยากบ ATP ไดเปน 1,3-bisphosphoglycerate ซง ตอมาจะรบอเลคตรอนจาก NADPH เกดปฏกรยารดกชนได PGAL

34

ขนตอนในวฏจกรคลวน (ตอ)

(3) การสรางทดแทน: - PGAL จะถกเปลยนกลบคนเปน RuBP ขนมาใหมเพอเขาสวฏจกร คลวนรอบใหมโดยจะใช ATP 1 โมเลกล ตอการสราง RuBP 1 โมเลกล

* ในขนตอนน ประกอบดวยหลายปฏกรยายอย โดยการสราง RuBP ขนมาใหมนน จะตองใช PGAL อยางนอย 5 โมเลกล จงจะสามารถ สราง RuBP ขนมาใหมไดทงสน 3 โมเลกล ซงตองตรง CO2 3 โมเลกล

35

36

C3 pathway * first product = PGA (3C)

Calvin cycle

(PGA)

การสรางน าตาลจาก PGAL - การตรง CO2 3 โมเลกล เขากบ RuBP 3 โมเลกล จะได PGA 6 โมเลกล ซงท าปฏกรยารดกชนได PGAL 6 โมเลกล โดยม PGAL 5 โมเลกล เขาสระยะการสรางทดแทนเพอสราง RuBP ขนมาใหม 3 โมเลกล และ เหลอ PGAL (น าตาล 3C) 1 โมเลกล ส าหรบใชในการสรางน าตาลตอไป

- น าตาลกลโคส (6C) 1 โมเลกล สรางจาก PGAL 2 โมเลกล ดงนนจะ ตองตรง CO2 6 โมเลกล

6CO2 + 12NADPH + 18ATP ===>

C6H12O6 + 12NADP+ + 18ADP + 18Pi 37

พช C3

• มจ านวนมากกวาพชกลมอน เชน ขาว ขาวสาล ขาวบารเลย ถวชนดตาง ๆ มะมวง กหลาบ มะล และพชโดยทว ๆ ไป

• สารอนทรยตวแรกทสรางหลงการตรง CO2 เปนสารทประกอบ ดวย 3C คอ PGA

• Bundle sheath cell ทใบไมมคลอโรพลาสต

• การตรง CO2 เกดท mesophyll cell เปนหลก

38

พช C4 • ไดแก พชในเขตรอน เชน ออย ขาวโพด ขาวฟาง บานไมรโรย ผกขม และพชหลายชนดในวงศหญา

• Bundle sheath cell ทใบมคลอโรพลาสต • มการตรง CO2 ทงใน mesophyll cell และ bundle sheath cell

Kranz anatomy: maize leaf

39

เปรยบเทยบโครงสรางใบพช C3 และ C4

40

การตรง CO2 ของพช C4 (1) ใน mesophyll cell มการละลายของ CO2 ในไซโทพลาสซม และจะ แตกตวได HCO3

- ซงเขาท าปฏกรยากบ phosphoenalpyruvate (PEP) โดยม PEP carboxylase เรงปฏกรยา ไดสารอนทรยตวแรก คอ oxaloacetate (OAA) ซงม 4C (2) OAA รบอเลคตรอนจาก NADPH แลวเปลยนเปน malate (4C) หรอ aspartate (4C) ซงจะเคลอนเขาส bundle sheath cell โดยการแพร ผานทาง plasmodesmata (3) malate หรอ aspartate เมอเขาส bundle sheath cell กจะสลายเปน CO2 และ pyruvate (3C) จากนน CO2 จะเขาสวฏจกรคลวนตอไป สวน pyruvate จะถกล าเลยงกลบไปท mesophyll cell เพอน าไปสราง PEP ขนมาใหมโดยอาศยพลงงานจาก ATP 41

C4 pathway * first product = OAA (4C)

42

• CAM = Crassulacean Acid Metabolism

• ไดแก พชในเขตทะเลทราย และพชอวบน า (succulent plants) เชน กระบองเพชร วานหางจระเข สบปะรด และกลวยไม

• มการปรบตวเพอลดการสญเสยน าในสภาวะอากาศรอนและมน าจ ากด โดยปากใบจะปดเวลากลางวน และเปดเวลากลางคน

พช CAM

43

(1) ในเวลากลางคนปากใบเปด มการตรง CO2 โดยเมอ CO2 ละลายใน ไซโทพลาสซมของ mesophyll cell จะแตกตวได HCO3

- ซงท าปฏกรยา กบ PEP โดยม PEP carboxylase เรงปฏกรยา ไดสารอนทรยตวแรก คอ OAA ซงม 4C แลว OAA จะถกเปลยนเปน malate (4C) ซงถกเกบ ในรป malic acid (4C) ไวใน vacuole

(2) ในเวลากลางวนปากใบปด malic acid ถกล าเลยงออกจาก vacuole เขาส chloroplast และสลายเปน CO2 และ pyruvate (3C) ซง CO2

จะเขาสวฏจกรคลวนตอไป สวน pyruvate จะถกน าไปสราง PEP ขนมาใหม

การตรง CO2 ของพช CAM

44

การตรง CO2 ของพช CAM (ตอ)

45

เปรยบเทยบการตรง CO2 ของพช C4 และพช CAM

46

การหายใจแสง (Photorespiration) • สวนใหญพบเฉพาะในพช C3 สวนพช C4 และ CAM ซงมววฒนาการขนมาเพอลดการหายใจแสง พบการหายใจแสงนอยมากหรอไมพบเลย

(1) ในพนทแหงแลงหรอสภาวะอากาศรอนแหง ปากใบจะปดเพอปองกนการสญเสยน า ท าใหอตราสวนความเขมขนของ CO2 ตอ O2 ภายในเซลลต าลง ในสภาวะเชนน Rubisco จะท าปฏกรยา oxygenation กบ O2 มากขน ซงจะสลาย RuBP (5C) แลวได PGA (3C) และ phosphoglycolate (2C) อยางละ 1 โมเลกล โดย phosphoglycolate เปนเสมอนของเสย จะถกเปลยนเปน glycolate กอนถกล าเลยงออกจากคลอโรพลาสตเขาสเพอรอกซโซม

47

การหายใจแสง (ตอ)

(2) glycolate ภายในเพอรอกซโซมจะถกเปลยนไปเปน glycine แลวถกเคลอนยายสไมโทคอนเดรยแลว glycine จะถกเปลยนไปเปน serine ซงมการสญเสย CO2 ออกสนอกเซลลดวย

(3) serine ถกเคลอนยายจากไมโทคอนเดรยไปทเพอรอกซโซม ซงจะมการเปลยน serine ไปเปน glycerate แลวในทสดจะถกเคลอนยายไป สคลอโรพลาสตเพอเขาสวฏจกรคลวนตอไป

48

การหายใจแสง (ตอ)

ขอเสย: - RuBP ถกสลาย - พลงงานถกใชไป - CO2 สญเสยไป - อตราการสงเคราะหแสงลดลง

49

ปจจยทมผลตอการสงเคราะหแสง

ความเขมแสง อณหภม ความเขมขนของ CO2

50