Fotosynthese en assimilatie (Biologie vwo), les 1: Uitleg

• New lesson editor
• Biologie
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg over autotroof en heterotroof, energievormen, ATP, NADPH en NADH, lichtreactie en donkerreactie in de chloroplast, beperkende factoren, voortgezette assimilatie en chemosynthese. Met 6 checks, een poll en een reflectievraag. Docentnotities bevatten achtergrond en veelgemaakte fouten.

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Fotosynthese en assimilatie

Examenstof biologie vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: M2.3 specificatie 1 t/m 7 en 14 (B2.3), O1.2 (B3.2). Image credit: MUuslimabonu / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Wat ga je kunnen?

Ik kan beschrijven hoe fotosynthese verloopt, beperkende factoren uit een grafiek halen en de voortgezette assimilatie toelichten.

Wat gebeurt er in een blad als de zon erop schijnt?

Verwacht: zuurstof, glucose, groen, bladgroen, koolstofdioxide, licht, planten maken eten. Koppel de woorden aan het verloop van de les: eerst de energiedragers, dan lichtreactie en donkerreactie, dan beperkende factoren en wat de plant met glucose doet. Veelgemaakte misvatting: planten ademen alleen 's nachts en fotosynthese is hun ademhaling. Het zijn twee aparte processen; de dissimilatie krijgt een eigen les.

Bladeren in het zonlicht

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Autotroof en heterotroof

• Autotrofe organismen maken zelf organische stof uit anorganische stof, zoals CO2 en water.

• Heterotrofe organismen kunnen dat niet en zijn afhankelijk van organische stof uit voedsel.

• Bij fotosynthese legt een plant met lichtenergie koolstofdioxide vast in glucose: koolstofassimilatie.

• Assimilatie is opbouwen en kost energie, dissimilatie is afbreken en levert energie.

Syllabus M2.3 spec 1 en O1.2 spec 1: autotroof, heterotroof, assimilatie, dissimilatie, anorganische en organische stof, koolstofassimilatie. Autotroof gaat over de bron van koolstof (CO2) en niet over de aanwezigheid van licht: ook chemosynthese is autotroof (dia 'Chemosynthese'). Veelgemaakte fout: denken dat autotrofe organismen geen organische stof nodig hebben voor hun eigen energie. Ze maken die stof juist zelf en breken een deel ervan zelf weer af. Image credit: MUuslimabonu / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Energievormen en omzettingen

• Energie komt voor als chemische energie, lichtenergie, kinetische energie (beweging) en warmte.

• Energievormen gaan in elkaar over: bij de fotosynthese wordt lichtenergie omgezet in chemische energie in glucose.

• Bij elke omzetting gaat een deel van de energie als warmte verloren; die warmte is voor de cel niet meer bruikbaar.

• Bij dissimilatie wordt chemische energie omgezet in kinetische energie en warmte, met ATP als tussenstap.

Syllabus M2.3 spec 3 en 4: chemische energie, lichtenergie, kinetische energie, warmte, licht. Energie gaat niet verloren maar verandert van vorm; de warmte spreidt zich uit en is niet meer door de cel te gebruiken. Vraag leerlingen zelf omzettingen te noemen (spier: chemisch naar kinetisch en warmte). Veelgemaakte fout: denken dat een plant alle lichtenergie vastlegt. Een groot deel gaat als warmte of ongebruikt licht verloren.

ATP, NADPH en NADH als energiedragers

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

ATP, NADPH en NADH

• ATP draagt energie over: bij het afsplitsen van een fosfaat ontstaat ADP en komt energie vrij.

• NADPH (fotosynthese) en NADH (dissimilatie) dragen energie over in de vorm van elektronen en protonen.

• Na afgifte van elektronen en protonen blijft NADP+ over, bij NADH is dat NAD+.

• Een proton is een H+ ion, een elektron is een negatief geladen deeltje.

Syllabus M2.3 spec 3: ADP, ATP, NAD+, NADH, NADP+, NADPH, proton, elektron. Zie ze als herlaadbare batterijen: de lege vorm (ADP + fosfaat, NADP+, NAD+) wordt opgeladen met energie, de volle vorm (ATP, NADPH, NADH) geeft die energie af aan een proces. NADPH hoort bij de assimilatie (fotosynthese), NADH bij de dissimilatie; de rol van NADH komt in de les Dissimilatie en enzymen terug. Veelgemaakte fout: ATP, NADPH en glucose door elkaar halen. Glucose is brandstof en bouwstof, de energiedragers zijn tijdelijk. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Vul in

Een autotroof organisme maakt zelf organische stof uit anorganische stof. Een heterotroof organisme heeft organische stof uit voedsel nodig.

autotroof

anorganische

heterotroof

assimilatie

chemische

Autotroof betekent: zelf organische stof maken uit anorganische stof, zoals CO2 en water. Heterotroof betekent dat voedsel nodig is. Verwachte fout: de twee omdraaien.

Welke stof staat energie af door een fosfaat te verliezen?

A

NADPH

B

ATP

C

NADH

D

NADP+

ATP wordt ADP en fosfaat en levert daarbij energie. NADPH en NADH leveren energie via elektronen en protonen. Verwachte fout: NADPH kiezen omdat het ook een energiedrager is.

Absorptie van licht door bladgroen (verzonnen waarden)

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Licht en chlorofyl

• Zichtbaar licht is een deel van het elektromagnetisch spectrum, met golflengten van ongeveer 400 tot 700 nm.

• Chlorofyl zit in de chloroplasten en absorbeert vooral blauw en rood licht.

• Groen licht wordt het minst geabsorbeerd en dus teruggekaatst: daarom lijken bladeren groen.

• De absorptie van licht door chlorofyl is het begin van de lichtreactie.

Syllabus M2.3 spec 5: elektromagnetisch spectrum, chloroplast, lichtreactie. De grafiek is vereenvoudigd en heeft verzonnen maar realistische waarden: chlorofyl a en b hebben pieken rond blauw (circa 430 tot 450 nm) en rood (circa 640 tot 660 nm). Laat leerlingen de dip bij groen aanwijzen. Veelgemaakte fout: denken dat de plant groen licht gebruikt omdat het blad groen is, terwijl het groene licht juist wordt teruggekaatst. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Lichtreactie en donkerreactie in de chloroplast

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Lichtreactie en donkerreactie

• In de thylakoïden vindt de lichtreactie plaats: licht en water leveren zuurstof, ATP en NADPH.

• In het stroma vindt de donkerreactie plaats: CO2 wordt met ATP en NADPH vastgelegd in glucose (C-assimilatie).

• ADP, fosfaat en NADP+ gaan terug naar de lichtreactie om weer opgeladen te worden.

• De donkerreactie heeft zelf geen licht nodig, maar wel de producten van de lichtreactie.

Syllabus M2.3 spec 5: fotosynthese, C-assimilatie, chloroplast, lichtreactie, donkerreactie. De syllabus vraagt de twee deelreacties en hun verband, niet de afzonderlijke stappen van de elektronentransportketen. De donkerreactie wordt in de literatuur ook wel Calvincyclus genoemd. Veelgemaakte fout: denken dat de donkerreactie alleen 's nachts plaatsvindt. Ze verloopt overdag, zolang de lichtreactie ATP en NADPH levert. Image credit: Eigen schema, LessonUp

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Wat komt waar vandaan?

• Totaalvergelijking: 6 CO2 + 6 H2O + lichtenergie geeft C6H12O6 + 6 O2.

• De zuurstof komt uit het water dat in de lichtreactie wordt gesplitst, niet uit koolstofdioxide.

• De koolstof in glucose komt uit koolstofdioxide en wordt in de donkerreactie vastgelegd.

• Water levert ook de elektronen en protonen waarmee NADP+ wordt opgeladen tot NADPH.

• Zo wordt lichtenergie eerst chemische energie in ATP en NADPH en daarna in glucose.

Syllabus M2.3 spec 5 en O1.2 spec 1. Tel de atomen: links 6 C, 18 O en 12 H, rechts 6 C, 6 + 12 = 18 O en 12 H. Dat de zuurstof uit water komt is aangetoond met water gelabeld met zwaar zuurstof (18O). Veelgemaakte fout: de zuurstof uit CO2 laten komen.

Fotosynthese bij twee CO2-gehaltes (verzonnen meting)

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Beperkende factoren

• Een beperkende factor bepaalt de snelheid van de fotosynthese: de factor die het meest tekortschiet.

• Licht, koolstofdioxide en temperatuur kunnen beperkend zijn.

• Op het stijgende deel van de grafiek beperkt licht, op het vlakke deel beperkt een andere factor.

• Een hogere temperatuur versnelt de enzymen van de donkerreactie, een te hoge temperatuur schaadt ze.

Syllabus O1.2 spec 2: beperkende factor, chloroplast; vaardigheid A8: gegevens uit grafieken. De grafiek is verzonnen: bij 0,04% CO2 vlakt de lijn af bij 40 klux (10 mg per uur), bij 0,10% CO2 bij 80 klux (20 mg per uur). Bij 25 graden en 60 klux beperkt dus CO2 bij het lage gehalte, terwijl licht nog beperkt bij het hoge gehalte. Veelgemaakte fout: denken dat meer licht altijd meer fotosynthese geeft. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Uit welke stof komt de zuurstof die vrijkomt bij de fotosynthese?

A

Koolstofdioxide

B

Glucose

C

Water

D

ATP

De zuurstof ontstaat bij het splitsen van water in de lichtreactie. Verwachte fout: koolstofdioxide kiezen omdat dat ook zuurstof bevat.

Zet op volgorde, van eerste naar laatste stap

1

Glucose is het eindproduct

2

Koolstofdioxide wordt vastgelegd

3

ATP en NADPH worden gevormd

4

Chlorofyl absorbeert lichtenergie

Licht wordt geabsorbeerd (lichtreactie), er ontstaan ATP en NADPH, die leveren energie voor het vastleggen van CO2 in de donkerreactie, met glucose als eindproduct. Verwachte fout: het vastleggen van CO2 voor de vorming van ATP en NADPH zetten.

Zetmeelkorrels uit een aardappel onder de microscoop

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Voortgezette assimilatie: koolhydraten

• Voortgezette assimilatie maakt uit glucose en andere stoffen bouwstoffen, brandstoffen, reservestoffen en enzymen.

• Koolhydraten: monosacharide (één suikereenheid, zoals glucose), disacharide (twee) of polysacharide (veel).

• Zetmeel is de reservestof van planten en glycogeen die van dieren, beide polysachariden van glucose.

• Cellulose is een polysacharide en bouwstof van de celwand van planten. Glucose is ook brandstof.

Syllabus M2.3 spec 6 en 7 en O1.2 spec 3: voortgezette assimilatie, bouwstof, brandstof, reservestof, koolhydraat, mono-, di- en polysacharide, zetmeel, glycogeen, cellulose. Het verschil tussen zetmeel, glycogeen en cellulose zit in de functie en in de manier waarop de glucose-eenheden zijn gekoppeld, niet in de bouwsteen. Veelgemaakte fout: glycogeen bij planten plaatsen en zetmeel bij dieren. Image credit: Makergreen / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Vetten en fosfolipiden

• Een vet bestaat uit één glycerol en drie vetzuren. Vet is een reservestof en een brandstof.

• Een fosfolipide heeft een kop met glycerol en een fosfaatgroep en twee staarten van vetzuren.

• De kop van een fosfolipide is wateroplosbaar, de staarten zijn vetoplosbaar.

• Fosfolipiden zijn een bouwstof van membranen, zoals het celmembraan.

Syllabus M2.3 spec 6: vet, vetzuur, glycerol, fosfolipide, wateroplosbaar en vetoplosbaar (de laatste twee komen uit de eindterm van M2.2). Een vet is een triglyceride: drie vetzuren aan één glycerol. Bij een fosfolipide vervangt een fosfaatgroep een van de vetzuren. Veelgemaakte fout: denken dat de kop van een fosfolipide vetoplosbaar is.

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Eiwitten, enzymen en DNA

• Een eiwit is opgebouwd uit aminozuren. Eiwitten zijn onder meer bouwstof in tussencelstof, en enzymen zijn eiwitten.

• Essentiële aminozuren kan een mens niet zelf maken, niet-essentiële aminozuren wel.

• DNA bevat naast C, H en O ook stikstof (N) en fosfor (P); eiwitten bevatten stikstof.

• Planten nemen die stoffen op als nitraat (NO3-) en fosfaat (PO4 3-).

Syllabus M2.3 spec 2, 6 en 7: eiwit, aminozuur, essentieel en niet-essentieel aminozuur, DNA, enzym, tussencelstof. Een enzym is een biologische katalysator voor een chemische reactie (spec 2); hoe enzymen werken komt in de les Dissimilatie en enzymen. Voor de bouw van eiwitten en DNA moeten planten anorganische stikstof en fosfor uit de bodem opnemen. Veelgemaakte fout: denken dat alleen glucose nodig is om bouwstoffen te maken.

Reuzenbuiswormen (Riftia) bij een hydrothermale bron op 2630 m diepte

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Chemosynthese

• Bij chemosynthese maken organismen organische stof met chemische energie in plaats van lichtenergie.

• Bacteriën bij hydrothermale bronnen in de diepzee oxideren waterstofsulfide; dat levert de energie.

• Ook hier wordt koolstofdioxide vastgelegd in organische stof: deze bacteriën zijn autotroof.

• Reuzenbuiswormen leven samen met zulke bacteriën en zijn daarvan afhankelijk voor hun voedsel.

Syllabus M2.3 spec 14: fotosynthese, chemosynthese. Verschil: de energiebron is licht (fotosynthese) of de energie van een chemische reactie (chemosynthese). Beide zijn autotroof. Op een diepte van 2630 meter bij de Oost-Pacifische Rug (zie het bijschrift van de foto) komt geen zonlicht, toch is er veel leven. Veelgemaakte fout: denken dat alle autotrofe organismen licht gebruiken. Image credit: Ifremer, campagne Phare 2002 / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Vul in

Zetmeel is een reservestof van planten. De celwand bestaat uit cellulose, dat net als zetmeel uit glucose is opgebouwd.

reservestof

cellulose

brandstof

glycogeen

Zetmeel is de reservestof van planten, cellulose is de bouwstof van de celwand. Verwachte fout: glycogeen invullen, dat is de reservestof van dieren.

Welke twee elementen bevat DNA, maar bevat glucose niet?

A

Stikstof en fosfor

B

Koolstof en stikstof

C

Fosfor en waterstof

D

Stikstof en zuurstof

Glucose bestaat uit C, H en O. DNA bevat daarnaast N en P. Verwachte fout: koolstof of zuurstof noemen, dat zit ook in glucose.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

Lichtreactie en donkerreactie

2

ATP, NADPH en NADH

3

Beperkende factoren in grafieken

4

Voortgezette assimilatie

Gebruik de uitslag om te bepalen welk onderdeel je in de volgende les nog een keer met een voorbeeld doorloopt.

Welk begrip uit de les wil je nog oefenen?

Reflectievraag, er is geen fout antwoord. Gebruik de antwoorden om te zien welke begrippen onvoldoende zijn blijven hangen en pak die in de examentraining nog eens op.

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Begrippen (1/2)

• autotroof en heterotroof: Autotroof: zelf organische stof maken uit anorganische stof. Heterotroof: afhankelijk van organische stof.

• ATP: Energiedrager van de cel; wordt ADP en fosfaat als de energie wordt gebruikt.

• NADPH en NADH: Energiedragers die elektronen en protonen meenemen, bij fotosynthese respectievelijk dissimilatie.

• chloroplast en chlorofyl: Chloroplast: celonderdeel van de fotosynthese. Chlorofyl: pigment dat vooral blauw en rood licht absorbeert.

• lichtreactie: In de thylakoïden: licht en water leveren zuurstof, ATP en NADPH.

STOFWISSELING VAN DE CEL · FOTOSYNTHESE

Begrippen (2/2)

• donkerreactie: In het stroma: CO2 wordt met ATP en NADPH vastgelegd in glucose (C-assimilatie).

• beperkende factor: De factor die de snelheid van de fotosynthese bepaalt: licht, CO2 of temperatuur.

• voortgezette assimilatie: Uit glucose en andere stoffen bouwstoffen, brandstoffen, reservestoffen en enzymen maken.

• polysacharide: Koolhydraat van veel suikereenheden: zetmeel, glycogeen en cellulose.

• chemosynthese: Organische stof maken met chemische energie in plaats van lichtenergie.