Photosynthesis

Photosynthe sis

Photosynthesis in nature Organisms  Autotrophs  Heterotrophs

Photosynthesis in nature Organisms 

Autotrophs :

Organism

simple inorganic external source of energy, such as light

Organic compound

Photosynthesis in nature Organisms  Autotrophs

Photosynthesis in nature Organisms  Heterotrophs:

cannot synthesize

Organism

Organic compounds from inorganic sources

Photosynthesis in nature Organisms  Heterotrophs

Chloroplasts: sites of photosynthesis

Chloroplasts: sites of photosynthesis

Chloroplasts Double membrane envelope  Thylakoid Granum  Thylakoid space lumen  Stroma lamellea  Stroma  DNA, RNA, Ribosome 

Chloroplasts

Chloroplasts 

Thylakoid

Chloroplasts Thylakoid

Chloroplast pigment Chlorophyll  Carotenoid 

Protein + lipid

Chloroplast pigment Chlorophyll (green pigment)

Chlorophyll a : all higher plant, algae, cyanobacteria  Chlorophyll b : all higher plant, algae  Chlorophyll c : diatom, brown algae  Chlorophyll d : red algae 

Chloroplast pigment Carotenoid (yellow pigment)  Carotenes: orange, orange-red  Xanthophylls : yellow

รับพลังงานแสง กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง  ป้องกัน chlorophyll จากการทำาลายโดยแสง 

(photodestruction)

The nature of light Properties of light 

Wave nature : มีคณ ุ สมบัติเป็นคลื่น

(ความยาว, ความถี่)  Particle nature : แสงมีลก ั ษณะเป็นก้อนพลังงาน (discrete packets of energy)

The nature of light Wave nature  Electronmagnetic energy  Short wavelength high energy 

Visible light

ช่วงแสงที่มีผลต่อสรีระวิทยาของพืช

380-750 nm 280-800 nm

The nature of light

The nature of light Particle nature 

Particle nature : แสงมีลกั ษณะเป็นก้อนพลังงาน (discrete packets of energy) : เดินทางมาอย่างต่อเนื่อง Photon (ก้อนพลังงาน)

Principle of light absorption by plant 

The photooxidation by plant of pigment molecule (chlorophyll, carotenoid)

1 photon Ground state

pigment

1 electron

Excited state

photosynthesis 

พลังงานแสง

คาร์โบไฮเดรต (นำำาตาล)

light

6H2O + 6CO2 ----------> C6H12O6+ 6O2

Photosynthesis Light reaction  Dark reaction 

Light reaction The part of electron in photosynthesis Light energy

chemical energy

NADPH

ATP

Light reaction Robert Emerson  Green algae chlorella 

Wave length ต่างๆกัน :

photosynthesis at 710 nm = 10 photosynthesis at 660 nm = 43.5 photosynthesis at 660+710 = 72.2

แสงทัำงสอง wave length ช่วยส่งเสริมการสังเคราะห์ด้วยแสง

Light reaction Light-harvesting complexes 

Thylakoid



Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotenoid

+ Protein

Antenna complex

Light reaction Light-harvesting complexes Antenna complex

Absorb light energy transfers

Reaction center

Light reaction Light-harvesting complexes

Light reaction The four major complexes of thylakoid Light energy Chemical energy

Light reaction The four major complexes of thylakoid

1.Photosystem II (PS ll) 2.Cytochrom complex 3.Photosystem l (PS l) 4.ATP syntheses

The four major complexes of thylakoid Photosystem II (PS ll)  Reaction center chlorophyll Chlorophyll a

Absorption peak about 680 nm (P 680)

The four major complexes of thylakoid Photosystem II (PS ll)  Chlorophyll a, chlorophyll b (1:1)  Xanthophylls (carotenoids)

The four major complexes of thylakoid Photosystem II (PS ll)

The four major complexes of thylakoid Cytochrome complex  Cytochrome b 6 

Cytochrome f

The four major complexes of thylakoid Photosystem l (PS l)  Reaction center chlorophyll Chlorophyll a

Absorption peak at 700 nm (P 700)

The four major complexes of thylakoid Photosystem l  Chlorophyll a, chlorophyll b (4:1)  Xanthophyll

The four major complexes of thylakoid

The four major complexes of thylakoid ATP syntheses

มี enzyme ทำาหน้าที่สร้าง ATP  เกิดการสร้าง ATP (ADP + Pi 

ATP)

Photophosphorelation

Light reaction Electron transport

Non-cyclic electron transport

Cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport 

Photosystem ll absorbs light Photoexcited electron



Splitting of water

H2O --------------> 2H+ + 1/2O2 + 2 electrons

Non-cyclic electron  Electron transport chain transport -

Plastoquinone = Pq Cytochome complex Plastocyanin = Pc

 Photosystem

l  Electron transport chain Ferredoxin = Fd  NADP+ reductase -

NADPH

Non-cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport Proton gradient (H+)  Proton motive force 

ATP synthese

ADP + Pi

ATP

Non-cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport NADPH  ATP  O 2 

Non-cyclic electron transport DO IT YOURSELF

Non-cyclic electron transport

Non-cyclic electron transport

Cyclic electron transport Photosystem l  Electron transport chain 

-

Ferredoxin = Fd Plastoquinone = Pq Cytochome complex Plastocyanin = Pc



Photosystem l

-

Cyclic electron transport Proton gradient (H+)  Proton motive force 

ATP synthese

ADP + Pi

ATP

Cyclic electron transport 

มีการเพิ่ม H+



ATP



ไม่มีการสร้าง NADPH

เพิ่ม Gradient

ต้องการ Proton gradient มาก ประสิทธิภาพของ PS ll ไม่ดี

Cyclic electron transport

Cyclic electron transport

Dark reaction The Calvin Cycle  ATP  NADPH  CO 2

Dark reaction The Calvin Cycle : การตรึง CO2

Carboxylation  Reduction  Regeneration 

Calvin Cycle RuBP = ribulose bisphosphate  PGA = phosphoglycerate  PGAL = phosphoglyceraldehyde (G3P)  G3P = glyceraldehyde - 3 - phosphate 

Calvin Cycle Carboxylation (carbon fixation) Rubisco

3CO2 + 3RuBP (5C)

6 PGA (3C)

Calvin Cycle Reduction 6 ATP 

6 PGA (3C)

5 PGAL + 1PGAL 6 NADPH

(3C)

Out put (Glucose, organic compound)

Calvin Cycle Regeneration 3 ATP

5 PGAL (3C)

3 RuBP (5C)

Calvin Cycle สารประกอบอินทรียต์ ัวแรก PGA (3C)  นำำาตาลตัวแรกจากการสังเคราะห์ด้วยแสง 

PGAL

Calvin Cycle

Calvin Cycle

Photosynthesis 

The first organic product

Three carbon compound 3- phosphoglycerate (PGA)

C3 plant

The C4 photosynthesis  

Bundle sheath cell Mesophyll cell

Photosynthetic cells of C4 plant leaf

The C4 photosynthesis 





First product

four carbon compound 1000 species of angiosperm (19 family) Sugarcane, corn, grass family

The C4 photosynthesis Mesophyll cell

Carbonfixation  PEP carboxylase PEP = phosphoenolpyruvate (3 C) OAA = oxaloacetate (4C) 

PEP carboxylase

PEP + CO2

OAA

The C4 photosynthesis Mesophyll cell Malate dehydrogenase

OAA

malate

(4C)

(4C)

The C4 photosynthesis malate

Pyruvate (3C)

Mesophyll cell

(4C)

Bundle sheath cell

CO2

Bundle sheath cell

The C4 photosynthesis Bundle sheath cell

CAM plant Classulacean acid metabolism (CAM)  Carbon fixation in succulent species  Family crassulaceae 

CAM plant Family crassulaceae

CAM plant Succulent species

หนา, ใบหนา  Vacuole ใหญ่  อัตราการคายนำำาตำ่า  พืำนที่ผิว/ปริมาตร : ตำ่า 

Cuticle

 cactus,

pineapple

CAM plant Adaptation to arid

- Hot

day high light intensity - cool night - dry soil ถ้าปลูกในสภาพปกติ

ตรึง CO2 แบบ C3 plant

CAM plant 

The night

open stomata Take up CO2



The day

close stoma - Conserve water - prevent CO2 from enter the leaf

CAM plant Mesophyll cell

Store the organic acid (make during the night)  Malic acid 

vacuole

CAM plant Chloroplast  Light reaction ATP, NADPH  Organic acid (malic acid) CO2

Calvin cycle

CAM plant

CAM plant

Photorespiration Respiration 

Normal respiration :

เซลล์ทุกชนิด

มีการหายใจ, เกิดตลอดเวลา

(cytoplasm, mitochondria)  Photorespiration :

เกิดเฉพาะส่วนที่เป็นสีเขียวของพืช

เกิดขณะมีแสง

(chloroplast, peroxisome, mitochondria)

Photorespiration Otto Warburg (1920) : algae

การสังเคราะห์ด้วยแสงถูกยับยัำงโดย O2 Warburg effect

• เกิดในพืช C3 ทังำ หมดทีศ่ ึกษา • เกิดเมื่อ O2 สูง

Photorespiration การหายใจ เนืำอเยื่อที่มีการสังเคราะห์ด้วยแสง  เกิดในสภาพที่มีแสง 

Photo: light (แสง) Respiration : ใช้ O2, มีการผลิต CO2

Photorespiration Hot, dry day

Chloroplast

close stomata (CO2 )

Rubisco add O2 to Calvin cycle instead of CO2

Glycolic Acid (2C)

Photorespiration Glycolic Acid (2C)

Rearrange & split releasing CO2

Mitochondria, peroxisome

Photorespiration

Photorespiration

Photorespiration เกิดในสภาวะมีแสง ATP, NADPH (light reaction)  H O O2 (light reaction) 2 



Rubisco

กระตุ้นโดยแสง

Photorespiration ไม่พบในพืช C4 : 

Rubisco & Calvin cycle enzyme Bundle sheath cell



PEP caboxylase (mesophyll) ไม่ตรึง O2

Photorespiration Bundle sheath cell

เรียงตัวกันหนาแน่น  CO ใน Bundle sheath cell 2 จะถูกรักษาให้สูงอยู่เสมอ จะขนส่ง CO2 เข้ามาตลอดเวลา 

บทบาทของ photorespiration 

ถ่ายพลังงานที่มากเกินพอออกไป ATP, NADPH แดดจัด, อากาศร้อน ปากใบปิด

O2 , ATP ,NADPH

CO2

การสังเคราะห์แสงน้อย, วัตถุดิบเหลือมาก

บทบาทของ photorespiration 

รักษา Rubisco & Calvin cycle enzyme Active ตลอดเวลา

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง ความเข้มของแสง

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง Light compensation point :

จุดของความเข้มแสงที่ทำาให้อัตราการปล่อย CO (Photorespiration) เท่ากับอัตราการตรึง CO จากการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis) 2

2



การตรึง CO สุทธิเป็นศูนย์ 2

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง 

พืชทั่วไปมีจุดอิ่มตัวของแสง 300 - 1000 µm/m2/s

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง  -

Shade plant : เจริญได้ดท ี ี่ความเข้มแสงตำ่า Lower maximum photosynthesis rate Lower light saturation range Lower light compensation point

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง 

ความเข้มของแสง

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง 

คาร์บอนไดออกไซด์

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง 

CO2 compensation point :

จุดของความเข้มข้นคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ทำาให้อตั ราการตรึง CO2 ด้วยกระบวนการสังเคราะห์ดว้ ยแสง เท่ากับ อัตราการปล่อย CO2 จากกระบวนการหายใจ  อัตราการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์สุทธิเป็นศูนย์

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง 

พืช C4

CO2 compensation point ตำ่ากว่า

พืช C3 

เพิ่มความเข้มข้น CO2 ในบันเดิลชีท

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง 

คาร์บอนไดออกไซด์

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง อุณหภูมิ  มีผลต่อการทำางานของเอนไซม์  พืชเขตร้อนต้องการอุณหภูมิที่เหมาะสมต่อการสังเคราะห์ดว ้ ยแสงสู งกว่า พืชเขตหนาว  อุณหภูมิที่เหมาะสมต่อการสังเคราะห์ดว ้ ยแสงของพืช C3 จะตำ่ากว่าอุณหภูมิที่เหมาะต่อการสังเคราะห์ แสง C4

ปัจจัยทีม่ ีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง อายุใบ  ปริมาณนำำา  ธาตุอาหาร 

แมกนีเซียม, ไนโตรเจน