LE 2

Question 1

(2.1) Te beschrijven hoe de biosfeer zich heeft ontwikkeld, en wat de effecten daarvan zijn
geweest op de aarde als geheel.

Answer 1

Biologische evolutie vond plaats onder nauwe wisselwerking tussen biogene en abiogene processen. Als eerste ontstonden heterogene organismen die gebruik maakte van op natuurlijke wijze ontstaande organische moleculen. Daarna ontstonden autotrofe organismen welke de zon als energiebron konden gebruiken door fotosynthese. Doordat deze zuurstof afgaven werd ultraviolette straling tegengehouden en werd leven op het land mogelijk. Via bliksem werd O2 bovendien omgezet tot ozon wat nog meer ultraviolette straling tegenhield. Meerdere levensvormen konden gaan ontstaan, waaronder vergevorderde heterotrofe organismen die afhankelijk waren van de ontstane heterotrofe organismen voor voedsel en zuurstof.

Question 2

(2.1) De definitie van de Amerikaanse ecoloog Evelyn Hutchinson te geven van de biosfeer, waarbij je aangeeft dat metabolisme (stofwisseling) een belangrijke voorwaarde voor leven is.

Answer 2

De biosfeer is dat deel van de aarde en de atmosfeer waarin ‘leven’ voorkomt. /// Dat deel van de aarde en atmosfeer waarin metabolisme plaatsvindt. Door stofwisseling (metabolisme) kunnen moleculen worden omgezet voor energievoorziening van organismen, alsmede voor de groei en ontwikkeling en allerlei andere noodzakelijke processen.

Question 3

(2.1) Uit te leggen dat de biosfeer zich beperkt tot de gebieden die voldoen aan de drie voorwaarden voor actief metabolisme (aanvoer van energie, water en voldoende elementen in een biologisch toegankelijke toestand).

Answer 3

Energie komt voornamelijke van zonne-energie als externe bron (gebonden tot chemische energie door autotrofe organismen), welke voldoende aanwezig moet zijn. Voldoende water is daarbij in vloeibare vorm nodig. Ook moet er voldoende aanbod zijn van elementen waaruit levende organismen zijn opgebouwd (zoals koolstof en stikstof) en moeten deze elementen in een biologisch toegankelijke chemische toestand nodig zijn. Zonder deze voorwaarden kan leven géén noodzakelijke energie en voedingsstoffen verkrijgen om te overleven.

Question 4

(2.2) De terminologie en notatie van een redoxreactie te herkennen vanuit het basisprincipe dat elektronen worden overgedragen in redoxreacties.

Answer 4

Voorbeeld:
Fe(s) + Cu2+ → Fe2+ + Cu(s)

Hierbij wordt ijzer, de reductor, geoxideerd.

Het positieve koperion, de oxidator, wordt gereduceerd.

Halfreacties:

Fe(s) → Fe2+ + 2e-
Cu2+ + 2e- → Cu(s)

Question 5

(2.2) Aan te geven wat bedoeld wordt met de volgende begrippen: oxidator, reductor, geoxideerd, gereduceerd, oxidatiegetal en reductiepotentiaal.

Answer 5

Oxidator = staat elektronen af.

Reductor = neemt elektronen op.

Geoxideerd = de reductor staat elektronen af en wordt geoxideerd.

Gereduceerd = de oxidator neemt eletronen op wordt gereduceerd.

Oxidatiegetal = elektronenboekhouding in redoxreacties

Het oxidatiegetal van alle elementen is 0.
Het oxidatiegetal van een ion is gelijk aan de lading van dat ion.
Zuurstof is altijd -2, behalve in O2, peroxiden en superoxiden.
Waterstof is altijd +1, behalve in H2.
De som van alle oxidatiegetallen in neutrale verbindingen is 0.
Het oxidatiegetal van covalent gebonden atomen ( zoalsorganische verbindingen) wordt puur formeel bepaalt.

Reductiepotentiaal = hoeveel elektronen er maximaal kunnen worden afgestaan (reducerend vermogen). Hoeveel er kunnen worden opgenomen is oxiderend vermogen. (Elektrodepotentiaal in Volt.)

Question 6

(2.2) De overdracht van elektronen van een reductor naar een oxidator te relateren aan een verschil in de reductiepotentiaal (beweging van lagere naar hogere reductiepotentiaal).

Answer 6

BINAS 48 geeft standaardelektrodepotentialen weer. De reductiepotentiaal geeft weer hoe veel (en hoe makkelijk) elektronen worden afgestaan. Sterke oxidatoren staan makkelijker elektronen af, sterke reductoren nemen deze makkelijker op.

Question 7

(2.2) Aan te geven wat de oxidator en reductor is in de verbranding van een koolstofverbinding en wat daarbij gebeurt met het oxidatiegetal van koolstof.

Answer 7

Verbranding is een reactie met zuurstof. Een koolstofverbindng heeft minimaal één ‘C’ als atoom. De verbranding van een verbinding van één enkel C-atoom krijgt de formule: C + O2 → CO2

Het oxidatiegetal van koolstof neemt toe (van 0 naar +4). Het oxidatiegetal van zuurstof neemt af (van 0 naar -2). Twee O-atomen worden gebonden aan één C-atoom.

Question 8

(2.32 Aan te geven wat de belangrijkste redoxkoppels zijn in fotosynthese (NADP+/NADPH en NAD+/NAD).

Answer 8

ATP (adenosinetrifosfaat) = chemische (vastgelegde) energie.

NADPH (nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat) = reducerend vermogen.
NADP+ = de eindacceptor.

NADP+ + 2 e- + H+ → NADPH

begin keten: NADH → NAD+ + 2 e- + H+
einde keten: 2 e- + 2 H+ + O2 → H2O
Totaal: NADH + H+ + O2 → NAD+ + H2O

Question 9

(2.2) Aan te geven dat voor veel chemoheterotrofe organismen zuurstof de terminale elektronacceptor is en deze reactie te herkennen.

Answer 9

Chemoheterotrofe organismen hebben verbranding nodig om aan energie te komen, waarvoor zuurstof noodzakelijk is als terminale elektronacceptator.

Koolstofverbinding + O2 → CO2 + H20 (en energie)

Question 10

(2.3) Uit te leggen wat het verschil is tussen foto-autotrofe organismen en chemo-organo heterotrofe organismen.

Answer 10

Foto-autotrofe organismen (producenten) zetten lichtenergie (zonne-energi) om in organische stoffen die nodig zijn als leverancier voor energie en bouwstoffen.

Chemo-organo heterotrofe organismen (consumenten/reducenten) benutten organische stoffen als energie- en koolstofbron door voedsel op te nemen uit de omgeving (direct of indirect afhankelijk van fotoautotrofe organismen).

Question 11

(2.3) Uit te leggen waarom fotosynthese cruciaal is voor het huidige leven op aarde.

Answer 11

Fotosynthese is noodzakelijk voor het produceren van zuurstof en van voedsel voor heterotrofe organismen. Het is de meest voorkomende manier om energie van de zon om te zetten in voedsel voor alle chemo-organo heterotrofe organismen en om CO2 vastleggen. (Fossiele brandstoffen worden ook veelvuldig gebruikt, welke ontstaan zijn door het veranderen van organisch materiaal afkomstig uit fotosynthese.) Daarnaast zorgt fotosynthese voor zuurstof om ultraviolette straling tegen te houden in de atmosfeer.

Question 12

(2.3) De reactieformule die fotosynthese samenvat te herkennen.

Answer 12

CO2 + H2O —zonlicht—> [CH2O] + O2

Question 13

(2.3) Uit te leggen waar in een plant fotosynthese plaatsvindt.

Answer 13

In de chloroplasten (bladgroenkorrels), welke gespecialiseerde organellen zijn die in chloroplasthoudende cellen voorkomen. Deze bevinden zich voornamelijk in groene delen van planten, met name in het palissadeparenchym van het mesofylweefsel van bladeren (maar ook in groene stengels en in de huidmondjes).

Question 14

(2.3) De aan- en afvoerroutes van de belangrijkste reactanten en producten van de fotosynthese in een plant te beschrijven.

Answer 14

Figuur 2.3.2

De opname van CO2 en de afgifte van zuurstof door bladeren.

De aanzuiging van water en mineralen via transportvaten.

Het transport van suikers van pigmentrijke delen naar wortels en andere delen van de plant.

Question 15

(2.3) De lichtafhankelijke en lichtonafhankelijke reactie van de fotosynthese te onderscheiden en aan te geven dat deze twee processen via het NADPH/ NADP+-redoxkoppel en het ATP/ADP-koppel met elkaar zijn verbonden.

Answer 15

Figuur 2.3.5

Lichtafhankelijk zet NADP+ om tot NADPH en ADP tot ATP.
Daarbij wordt H2O omgezet in O2.
ATP is energierijk (chemisch gebonden energie) en NADPH heeft reducerend vermogen.

Lichtonafhankelijk zet NADPH om tot NADP+ en ATP tot ADP.
Daarbij wordt CO2 omgezet tot [CH2O]-verbindingen.
De ATP en NADP+ worden vervolgens weer energie ‘gegeven’ in de lichtafhankelijke reacties.

Question 16

(2.3) Aan te geven dat de energie voor de lichtafhankelijke reactie wordt geleverd door opname van fotonen door pigmenten in het thylakoïd membraan, waarbij chlorofyl een sleutelrol heeft.

Answer 16

Chlorofyl absorbeert (violet/blauw en rood) licht en gebruikt daarvan het foton om een elektron van molecuul in een aangeslagen (geëxciteerde) toestand te brengen waarin het meer energie bezit.

Question 17

(2.3) Aan te geven dat de elektronentransportketen in het thylakoïdmembraan een centrale rol speelt in de lichtafhankelijke reactie en de reacties te herkennen die aan het begin en het einde van deze elektronentransportketen plaatsvinden.

Answer 17

Het aangeslagen elektron wordt afgevangen door moleculen uit de elekronentransportketen in het thylakoïdmembraan. Chlorofyl = Chl.

4 Chl + 4 fotonen → 4 Chl* (geëxciteerd)
Chl* → Chl+ (geoxideerde toestand) + e- (naar elektronentransportketen)
Chl+ is erg onstabiel, want het mist een elektron.
4 Chl+ + 4 e- → 4 Chl

(Chl+ is een sterke oxidator, elektronen komen van water wat H-O-H bindingen verbreekt).

Halfreactie 1 = 2 H2O → 4 H+ + O2 + 4 e-
Halfreactie 2 = 4 Chl+ + 4e- → 4 Chl
Eindreactie = 4 Chl + + 2 H2O → 4 Chl + 4 H+ + O2

Question 18

(2.3) Aan te geven dat er bij de lichtafhankelijke reactie een protonengradiënt ontstaat over het thylakoïdmembraan, die kan worden ingezet voor de vorming van ATP.

Answer 18

Het splitsen van water voor de aanvulling van verloren elektronen laat H+ ionen vrijkomen. In het lumen van de thylakoïd (binnenzijde) ontstaat zo een verhoogde H+ ionen concentratie ten opzichte van de stroma van de chloroplast (buitenzijde). Op deze manier ontstaat er een protonengradiënt over het thylakoïdmembraan, welke wordt versterkt door verplaatsing van H+ van stroma naar lumen en vastlegging H+ uit stroma in NADPH. Dit is in feite potentiële enrgie die wordt omgezet in de chemisch enregie van ATP als de protonen in het lumen via het ATP-vormend complex weer naar het stroma terugstromen.

Question 19

(2.3) Aan te geven dat in de lichtonafhankelijke reactie de Calvin cyclus een centrale rol heeft en de inputs in en outputs van deze cyclus herkennen.

Answer 19

Input zijn energie uit ATP en reducerend vermogen van NADPH, alsmede C-atomen uit CO2.
Output zijn organische verbindingen (zoals de beoogde glucose C6H12O6) en zuurstof.

Het wordt ook de C3-route genoemd omdat via een groot aantal stappen koolstofdioxide wordt gebonden aan een C5-molecuul, waarbij twee C3-moleculen ontstaan en worden gereduceerd om het C5-molecuul terug te vormen, welke weer met koolstofdioxide kan binden. Een deel daarvan ka worden gebruikt voor het maken van C6-bindingen (glucose).

Question 20

(2.3) Voorbeelden geven van organismen die niet direct en ook niet indirect afhankelijk zijn van de zon als externe energiebron.

Answer 20

Dit zijn organismen die gebruik maken van chemosynthese (chemo-autotrofe organismen). Dit zijn voornamelijk bacteriën die energie halen uit vulkanische schoorstenen (hydrothermale bronnen) door met behulp van chemische energie koolstof te assimileren. Ze staan aan het begin van de lokale voedselketens.

Question 21

(2.4) Uit te leggen waarom het fotosyntheseproces een reductieproces is en wat hierin de rol is van ATP.

Answer 21

Fotoautotrofe organismen zetten zonne-energie om en slaan deze energie op in de chemische energie van biomoleculen. Fotosynthese is een reductieproces waarbij koolstofdioxide wordt gereduceerd (met NADPH als reductor). Het oxidatiegetal van koolstof neemt af van +4 in CO2 naar 0 in [CH2O] door de opname van elektronen.

ATP speelt een belangrijke rol bij het intracellulaire energietransport, waar ATP energie van de plaats waar het gevormd wordt transporteert naar plaatsen waar een energiebehoefte bestaat. De conversie van chemische energie van een energierijk molecuul naar de energietransporteur ATP is een mobilisatie van cellulaire energie. ATP vervult deze rol in alle levende organismen.

De oxidatie in het geval van aërobe ademhaling kan worden weergegeven als:
[CH2O] + O2 → CO2 + H2O

Question 22

(2.4) Uit te leggen wat het verschil is tussen de volgende organismen: fotoautotroof, fotoheterotroof, chemolithoautotroof, chemolithoheterotroof, chemo-organo-autotroof, chemo-organoheterotroof.

Answer 22

Figuur 2.4.2
Energiebron = licht = foto-
Energiebron = redoxreactie = chemo-

Elektronendonor = anorganisch = litho-
Elektronendonor = organisch = organo-
Elektronendonor = water = ---

Koolstofbron = anorganisch = auto-
Koolstofbron = organisch = hetero-

Voorbeelden:
Fotoautotroof = veel plantensoorten.

Fotoheterotroof = prokaryoten (bacteriën en Archaea).

Chemolithoautotroof = nitrificeerders , anammox bacteriën en zwavel oxiderende bacteriën.

Chemo-litho-heterotroof = (bacteriën Fe2+ voor energie en organische stof voor koolstof).

Chemo-organo-autotroof = bacteriën of archaea (methanogenen, halofielen, zwavelreduceerders en thermoacidofielen).

Chemo-organoheterotroof = Dieren (mens), veel soorten bacteriën, zoals melkzuurbacteriën, denitrificerende bacteriën en bacterieën die stikstof uit de lucht door stikstoffixatie omzetten in nitraat.

Question 23

(2.4) Het verschil uit te leggen tussen anabole en katabole processen.

Answer 23

Katabole processen zijn metabole processen die betrokken zijn bij het generen van de factoren energie, reducerend vermogen en cellulaire bouwstenen. (Afbraak van biomoleculen.)

Anabole processen zijn nodig voor het maken van biomoleculen uit cellulaire bouwstenen. (Opbouw van biomoleculen.)

Question 24

(2.4) De belangrijkste processen (spijsvertering, intracellulaire afbraak, biosynthese, en volledige verbranding) in het metabolisme van chemo-rganoheterotrofe organismen (dieren) te benoemen.

Answer 24

Figuur 2.4.5
Spijsvertering is het omzetten van koolhydraten/vetten/eiwitten in suikers/vetzuren/aminozuren.

Intercellulaire afbraak is het omzetten van suikers/vetzuren/aminozuren in gemeenschappelijke tussenproducten.

Biosynthese is het opbouwen van gemeenschappelijke tussenproducten tot suikers/vetzuren/aminozuren alsmede het verder opbouwen van deze drie tot koolhydraten/vetten/eiwitten.

Volledige verbranding is het omzetten van gemeenschappelijke tussenproducten tot energie, CO2 en H2O.

Question 25

(I.O) Aan te geven wat artificiële fotosynthese is.

Answer 25

Artificiële fotosynthese is een proces waarbij, door gebruik te maken van halfgeleiders, de
stralingsenergie van de zon direct wordt omgezet in energierijke chemische bindingen die de basis
vormen van brandstoffen, zonder gebruik te maken van biomassa of elektriciteit of andere vormen
van energie.

Question 26

(I.O) Aan te geven op welke manier natuurlijke fotosynthese als voorbeeld dient voor artificiële fotosynthese.

Answer 26

Beide systemen gebruiken de zonnestraling als energiebron. Het fundamentele verschil tussen de twee is het type uitgangsenergie. Fotovoltaïsche cellen creëren elektrische energie terwijl fotosynthese chemische energie creëert.

Question 27

(I.O) De verschillende stappen van artificiële fotosynthese conceptueel te benoemen en kunnen vergelijken met natuurlijke fotosynthese.

Answer 27

[Artificieel] 1 De absorptie van licht en het concentreren van deze energie in een fotovoltaïsche cel, de halfgeleider.

[Natuurlijk] De absorptie en concentratie van elektromagnetische straling door antennemoleculen, voornamelijk bladgroen ofwel chlorofyl, maar ook caroteen. Deze moleculen liggen samengepakt in eiwitcomplexen of organellen en dienen om de ingevangen energie te concentreren in een
reactiecentrum.

[Artificieel] 2 Het geabsorbeerde zonlicht induceert een ladingsscheiding in de halfgeleider (de energie van de elektronen, de negatieve ladingen en ‘gaten’, de positieve ladingen) die wordt
gebruikt voor de opbouw van oxiderend vermogen aan de positieve zijde en reducerend vermogen aan de negatieve zijde van het reactiecentrum.

[Natuurlijk] In het reactiecentrum in het hart van het fotosysteem II vindt ladingsscheiding plaats: het chlorofylmolecuul stoot een negatief geladen elektron uit, waardoor een positief geladen ‘gat’
achterblijft. De energie van het licht is omgezet in de energie van twee gescheiden elektrische ladingen.

[Artificieel] 3 Het splitsen van water in zuurstofgas en waterstofionen aan de oxiderende (positieve)
zijde van het reactiecentrum. De elektronen aan de reducerende (negatieve) zijde van het reactiecentrum reduceren waterstofionen tot waterstofgas.

[Natuurlijk] De positieve ladingen worden verzameld en gebruikt om een watermolecuul te splitsen in waterstofionen en zuurstof. De negatieve elektronen worden via het molecuul cytochroom en kleine mobiele elektronendragers overgebracht naar een ander eiwitcomplex, fotosysteem I.

[Artificieel] 4 Met hulp van de energie van nieuw ingevangen fotonen wordt van de elektronen (uit stap 2) samen met de waterstofionen energierijke brandstoffen geproduceerd. Dit kan waterstofgas zijn of een koolstofhoudende brandstof. In het systeem van Dogutan & Nocera (2019 kan het waterstofgas met behulp van het enzym hydrogenase cellulaire biosynthese aandrijven om biomassa of brandstoffen (bijv. methanol) te produceren, bijv. via metabolisch gemanipuleerde paden.

[Natuurlijk] In fotosysteem I wordt opnieuw energie toegevoegd met hulp van fotonen uit zonlicht, en vervolgens worden de elektronen gebruikt in een chemische reactie die uiteindelijk de koolhydraten vormt.

Question 28

(I.O.) Aan te geven aan welke voorwaarden artificiële fotosynthese moet voldoen om in aanmerking te kunnen komen als duurzame energiebron.

Answer 28

[Voorwaarde 1: efficiëntie] Het systeem moet zo efficiënt mogelijk zonne-energie omzetten in
chemische energie. Met andere woorden, het systeem moet optimaal gebruik maken van het
binnenkomend zonlicht om de splitsing van water en productie van zonnebrandstof aan te drijven.
Daarbij is de quantumefficiëntie van belang, dat is de opbrengst van de fotosynthese per
hoeveelheid geabsorbeerd licht. Hoe hoger de opbrengst, hoe minder materialen en oppervlak er
nodig zijn voor de chemische omzetting van zonlicht naar brandstof. Hoewel in de laatste generatie
zonnecellen ook een hoge opbrengst gehaald wordt, is er op het gebied van kunstmatige
fotosynthese-systemen nog veel ruimte voor verbetering.

[Voorwaarde 2: duurzaamheid] Elk kunstmatig fotosynthesesysteem zal duurzaam of robuust
moeten zijn zodat het over de gehele levensduur een grote hoeveelheid energie kan omzetten, veel
meer dan de energie die nodig is om het systeem te bouwen en te onderhouden. Dit is een
belangrijke uitdaging omdat veel materialen snel afbreken wanneer ze worden blootgesteld aan
zonlicht of corroderen bij blootstelling aan zuurstof of water.

[Voorwaarde 3: kosteneffectiviteit] Om te kunnen concurreren met andere technologieën voor de
productie van waterstof (en organische brandstoffen), zal het artificieel fotosynthesesysteem
kosteneffectief moeten zijn. Dit betekent dat er zo weinig mogelijk materiaal gebruikt wordt om het
systeem te bouwen, en dat het gebruik van zeldzame en dure materialen vermeden moet worden.