معلومة

كيف تحصل مرحلة التمثيل الضوئي المستقلة عن الضوء على أيونات H +؟

كيف تحصل مرحلة التمثيل الضوئي المستقلة عن الضوء على أيونات H +؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

مما أفهمه من علم الأحياء للصف الحادي عشر:

خلال مرحلة التمثيل الضوئي التي تعتمد على الضوء ، تنقسم جزيئات الماء ، وتنتج ذرات الهيدروجين والأكسجين. ذرات الأكسجين هي في الأساس "نفايات" - تستخدمها الميتوكوندريا للتنفس بعد استنشاقها. هذه H+ ثم يتم أخذ الأيونات بواسطة حامل الهيدروجين (أي NADP+) لتشكيل NADPH (وهو أمر ضروري للمرحلة المستقلة عن الضوء). أين هؤلاء H.+ فجأة تأتي الأيونات للتو من؟

من خلال ما فهمته حتى الآن ، فإن H+ الأيونات الآن "في" NADPH.

أنا في حيرة من أمري كيف أنه في المرحلة المستقلة للضوء ، فإن ثاني أكسيد الكربون (CO2 جزيئات) يمكن أن تتحد مع H+ الأيونات لتكوين الجلوكوز. اعتقدت أن هؤلاء H.+ تم "تحويل" الأيونات بالفعل لتشكيل NADPH؟ أم أنه شيء من هذا القبيل فقط بعض من H.+ الأيونات ضرورية لـ NADP+ لتشكيل NADPH؟


ملخص

يُظهر السؤال ارتباكًا حول الغرض من تقسيم الماء في عملية التمثيل الضوئي. نقلا عن بيرج وآخرون.، في ضوء ردود الفعل لعملية التمثيل الضوئي

"يمتص الضوء و الطاقة يستخدم لدفع الإلكترونات من الماء لتوليد NADPH ودفع البروتونات عبر الغشاء. تعود هذه البروتونات عبر سينسيز ATP لتكوين ATP ".

المنتج المفيد لتقسيم الماء هو طاقة.

لا توجد مشكلة في توفير أيونات الهيدروجين للتفاعلات البيوكيميائية على هذا النحو - فهي متوفرة من تفكك الماء.

تفسير

قد يكون الرسم البياني أعلاه ، الذي يلخص تفاعلات الضوء مفيدًا ، على الرغم من أنه يخفي التفاصيل ويقدم تعقيد توليد الطاقة. يُظهر الغشاء (الثالويد) الذي يفصل موقع اختزال NADP+ (من الخارج) من حيث ينفصل الماء (من الداخل).

  • المنتج المهم لتفاعل الفوتونات الضوئية مع الماء هو الإلكترونات المثارة. المنتجات الكيميائية غير مهمة نسبيًا - بالتأكيد للأكسجين ، والأهمية الوحيدة لأيونات الهيدروجين المنتجة هي موقعها داخل الثالويد ، مما يقلل من درجة الحموضة.

  • المصير الأولي لذرة الهيدروجين معقد ، وهناك العديد من الوسائط التي تم نقل الإلكترون المثارة إليها من قبل ، في النهاية إلى NADP+:

NADP+ + ح+ + 2 هـ- → NADPH

من المهم أن ندرك أنه يتم استخدام الطاقة لتقليل NAD إلى NADPH ، ويمكن اعتبار NADPH نوعًا خاصًا من `` المركبات عالية الطاقة '' - وليس مركبًا عامًا مثل ATP ، ولكنه يمكن أن يؤدي تحديدًا إلى تقليل الكربون العمود الفقري اللازمة في التوليف.

سوء الفهم هو أن هناك أيونات الهيدروجين للتفاعل أعلاه هي تلك التي تنتج في شطر الماء ، أو أن هناك بشكل عام أي مشكلة في الحصول على أيونات الهيدروجين للتفاعلات البيوكيميائية. يوجد علم الأحياء في بيئة مائية ، وينفصل الماء إلى أيونات الهيدروجين والهيدروكسيل.

ح2يا ح+ + أوه-

لذا فإن أيونات الهيدروجين ليست ذات صلة بتفاعلات الاختزال التي ينطوي عليها تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات في التفاعلات المستقلة للضوء لعملية التمثيل الضوئي (يتم إنتاجها بالفعل في تخفيضات NADPH). إن NADPH هو الذي يوفر عنصر الهيدروجين في الكربوهيدرات.

ATP

يجلب الرسم التخطيطي أيضًا تعقيدًا يحتاج إلى فصل في كتاب لشرح: إن تدرج أيون الهيدروجين المتولد بين داخل وخارج مساحة الثالويد يوفر الطاقة لفوسفوريلات ADP إلى ATP. يرتبط ATP بالتفاعلات المستقلة للضوء لعملية التمثيل الضوئي من حيث أنه يوفر في النهاية الطاقة لتكوين روابط الكربون والكربون.


البناء الضوئي

البناء الضوئي هي العملية التي تصنع بها النباتات الغذاء والأكسجين باستخدام ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي والمياه من التربة والطاقة من الشمس. إنها تغذية ذاتية التغذية.

  • معادلة متوازنة لعملية التمثيل الضوئي: 6CO2 + 6H2O - & GT C6H12O6 + 6O2.
  • تحصل النباتات على الماء من التربة وثاني أكسيد الكربون من الهواء ، وتستخدمهما لإنتاج الجلوكوز والأكسجين.
  • يتم استخدام بعض الجلوكوز المصنوع في التنفس ، ويتم تخزين البعض منه كنشا.
  • يتم استخدام بعض الأكسجين المصنوع في التنفس ، ويتم إطلاق بعضه من النبات إلى الغلاف الجوي.
  • لحدوث عملية التمثيل الضوئي ، يجب أن يكون الضوء موجودًا.
  • الصباغ الكلوروفيل ، الموجود في البلاستيدات الخضراء ، ضروري لعملية التمثيل الضوئي.
  • تم العثور على غالبية البلاستيدات الخضراء في أوراق النبات ، وخاصة في طبقة الحاجز.

رسم بياني 1. مقطع عرضي للورقة يظهر طبقة الحاجز.

المرحلة الأولى من التخرج الضوئي: (المرحلة التي تعتمد على الضوء / الضوء).

  • المرحلة الأولى من عملية التمثيل الضوئي هي المرحلة التي تعتمد على الضوء أو المرحلة الضوئية. يحدث ذلك في جرانا من البلاستيدات الخضراء.
  • خلال مرحلة الضوء ، يتم تصنيع NADPH و ATP ويتم تقسيم الماء ، مما يؤدي إلى إطلاق غاز الأكسجين.
  • يتكون الكلوروفيل من عدد من الأصباغ المختلفة. يتم تجميع هذه الأصباغ معًا في هيكل يشبه القمع. عندما يصل الضوء إلى البلاستيدات الخضراء ، تستقبل جزيئات الصبغة الموجودة أعلى القمع الطاقة وتصبح متحمسة.
  • ثم يتم تمرير الطاقة الضوئية من جزيء إلى جزيء عبر القمع حتى تصل إلى جزيء الكلوروفيل (أ).
  • يمكن للإلكترون المثير أن يسلك مسارين:
  1. يترك الإلكترون جزيء الكلوروفيل (أ) ، ويمر عبر نظام ناقل قبل أن يعود إلى الكلوروفيل. بينما يتحرك الإلكترون عبر نظام الناقل ، فإنه يعطي طاقة لتشكيل ATP من ADP + P.
  2. في المسار الثاني المحتمل ، يتم تمرير الإلكترون إلى جزيء مستقبِل وإلى NADP +. لا يتم إرجاع الإلكترون الذي يترك الكلوروفيل إلى الكلوروفيل وبالتالي يتم الحصول على المزيد من الإلكترونات عن طريق تقسيم الماء. (H20 - & GT 2H + + 2e- + 1 / 2O2). يستقبل NADP + إلكترونين ليصبح NADP-. تنجذب أيونات H + من تجمع بروتون في البلاستيدات الخضراء إلى NADP- وبالتالي تشكل NADPH. (NADP + + 2e- + H + - & gt NADPH). لا ينفد تجمع البروتون من البروتونات حيث يتم تجديده باستمرار من خلال البروتونات المنتجة أثناء تقسيم الماء.

منتجات مرحلة الضوء:

  • ATP - يستخدم في المرحلة الثانية من التمثيل الضوئي.
  • غاز الأكسجين - يستخدم في التنفس أو ينتشر من الثغور إلى الغلاف الجوي.
  • NADPH - يستخدم في عملية التمثيل الضوئي الثانية.

المرحلة الثانية من التصوير الضوئي: (المرحلة المستقلة عن الضوء / الظلام).

  • يمكن أن تحدث هذه المرحلة من التمثيل الضوئي في وجود أو عدم وجود الضوء.
  • مطلوب هنا ATP و NADPH المصنوعة في مرحلة الضوء.
  • يضاف الهيدروجين إلى ثاني أكسيد الكربون (أي يتم تقليل ثاني أكسيد الكربون) بواسطة NADPH ، باستخدام الطاقة من ATP.
  • يتم تكوين كربوهيدرات من الصيغة العامة Cx (H2O) y ، مثل الجلوكوز (C6H12O6).

منتجات المرحلة المظلمة:

  • الجلوكوز - يستخدم في التنفس أو يخزن كنشا.
  • NADP + - تمت إعادة مرحلة الإضاءة لاستخدامها مرة أخرى.
  • ADP + P - العودة إلى مرحلة الإضاءة لاستخدامها مرة أخرى.

ملاحظة: يتم التحكم في معدل المرحلة المظلمة بواسطة الإنزيمات ويتأثر بمدى سرعة إنتاج المرحلة الضوئية لمنتجاتها وبشكل غير مباشر بمستويات الضوء وثاني أكسيد الكربون المتاحة.


دورة كالفين

يتم تنظيم دورة كالفين في ثلاث مراحل أساسية: التثبيت ، والتقليل ، والتجديد.

أهداف التعلم

وصف دورة كالفن

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • تشير دورة كالفن إلى التفاعلات المستقلة للضوء في عملية التمثيل الضوئي التي تحدث في ثلاث خطوات رئيسية.
  • على الرغم من أن دورة كالفن لا تعتمد بشكل مباشر على الضوء ، إلا أنها تعتمد بشكل غير مباشر على الضوء نظرًا لأن ناقلات الطاقة الضرورية (ATP و NADPH) هي نتاج تفاعلات تعتمد على الضوء.
  • في التثبيت ، المرحلة الأولى من دورة كالفين ، يتم بدء تفاعلات مستقلة عن الضوء ، يتم إصلاح ثاني أكسيد الكربون من جزيء غير عضوي إلى جزيء عضوي.
  • في المرحلة الثانية ، يتم استخدام ATP و NADPH لتقليل 3-PGA إلى G3P ثم يتم تحويل ATP و NADPH إلى ADP و NADP + ، على التوالي.
  • في المرحلة الأخيرة من دورة كالفن ، يتم تجديد RuBP ، مما يمكّن النظام من الاستعداد لمزيد من ثاني أكسيد الكربون2 ليتم اصلاحه.

الشروط الاساسية

  • رد فعل مستقل عن الضوء: تفاعلات كيميائية أثناء عملية التمثيل الضوئي تحول ثاني أكسيد الكربون ومركبات أخرى إلى جلوكوز ، تحدث في السدى
  • روبيسكو: (ribulose bisphosphate carboxylase) إنزيم نباتي يحفز تثبيت ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أثناء عملية التمثيل الضوئي عن طريق تحفيز التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون و RuBP
  • ريبولوز ثنائي الفوسفات: مادة عضوية تشارك في عملية التمثيل الضوئي ، وتتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون لتكوين 3-PGA

دورة كالفين

ثاني أكسيد الكربون في النباتات (CO2) إلى الأوراق من خلال الثغور ، حيث تنتشر على مسافات قصيرة عبر الفراغات بين الخلايا حتى تصل إلى الخلايا المتوسطة. مرة واحدة في خلايا mesophyll ، CO2 ينتشر في سدى البلاستيدات الخضراء ، موقع التفاعلات المستقلة للضوء لعملية التمثيل الضوئي. هذه التفاعلات لها في الواقع عدة أسماء مرتبطة بها. تشمل الأسماء الأخرى للتفاعلات المستقلة عن الضوء دورة كالفين ، ودورة كالفين بنسون ، والتفاعلات المظلمة. أكثر الأسماء التي عفا عليها الزمن هي ردود الفعل المظلمة ، والتي يمكن أن تكون مضللة لأنها تشير بشكل خاطئ إلى أن التفاعل يحدث فقط في الليل أو مستقل عن الضوء ، ولهذا السبب لم يعد معظم العلماء والمعلمين يستخدمونه.

تفاعلات ضوئية: التفاعلات المعتمدة على الضوء تسخر الطاقة من الشمس لإنتاج روابط كيميائية ، ATP ، و NADPH. تتكون هذه الجزيئات الحاملة للطاقة في السدى حيث تحدث دورة كالفين. دورة كالفين ليست مستقلة تمامًا عن الضوء لأنها تعتمد على ATP و NADH ، وهما نتاج التفاعلات المعتمدة على الضوء.

يمكن تنظيم التفاعلات المستقلة للضوء لدورة كالفين في ثلاث مراحل أساسية: التثبيت ، والتقليل ، والتجديد.

المرحلة 1: التثبيت

في السدى ، بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون2، يوجد مكونان آخران لبدء التفاعلات المستقلة عن الضوء: إنزيم يسمى كربوكسيلاز الريبولوز ثنائي الفوسفات (RuBisCO) وثلاثة جزيئات من ثنائي فوسفات الريبولوز (RuBP). يحتوي RuBP على خمس ذرات من الكربون ، يحيط بها اثنان من الفوسفات. RuBisCO يحفز التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون2 و RuBP. لكل شركة2 جزيء يتفاعل مع RuBP واحد ، يتكون جزيئين من 3-phosphoglyceric acid (3-PGA). يحتوي 3-PGA على ثلاثة ذرات كربون وفوسفات واحد. يتضمن كل منعطف من الدورة RuBP واحدًا وثاني أكسيد كربون واحدًا ويشكل جزيئين من 3-PGA. يظل عدد ذرات الكربون كما هو ، حيث تتحرك الذرات لتشكيل روابط جديدة أثناء التفاعلات (3 ذرات من 3 CO2 + 15 ذرة من 3RuBP = 18 ذرة في 3 ذرات من 3-PGA). تسمى هذه العملية تثبيت الكربون لأن ثاني أكسيد الكربون2 هو & # 8220 ثابت & # 8221 من شكل غير عضوي إلى جزيئات عضوية.

دورة كالفين: تتكون دورة كالفين من ثلاث مراحل. في المرحلة الأولى ، يدمج إنزيم RuBisCO ثاني أكسيد الكربون في جزيء عضوي ، 3-PGA. في المرحلة الثانية ، يتم تقليل الجزيء العضوي باستخدام الإلكترونات التي يوفرها NADPH. في المرحلة الثالثة ، يُعاد توليد جزيء RuBP ، الذي يبدأ الدورة ، بحيث يمكن أن تستمر الدورة. يتم دمج جزيء واحد فقط من ثاني أكسيد الكربون في المرة الواحدة ، لذلك يجب إكمال الدورة ثلاث مرات لإنتاج جزيء GA3P ثلاثي الكربون واحد ، وست مرات لإنتاج جزيء جلوكوز مكون من ستة كربون.

المرحلة 2: التخفيض

يتم استخدام ATP و NADPH لتحويل الجزيئات الستة من 3-PGA إلى ستة جزيئات من مادة كيميائية تسمى glyceraldehyde 3-phosphate (G3P). هذا تفاعل اختزال لأنه يتضمن اكتساب إلكترونات بواسطة 3-PGA. تذكر أن الاختزال هو اكتساب إلكترون بواسطة ذرة أو جزيء. يتم استخدام ستة جزيئات من كل من ATP و NADPH. بالنسبة لـ ATP ، يتم إطلاق الطاقة مع فقدان ذرة الفوسفات الطرفية ، وتحويلها إلى ADP لـ NADPH ، يتم فقد كل من الطاقة وذرة الهيدروجين ، وتحويلها إلى NADP +. يعود كل من هذه الجزيئات إلى التفاعلات القريبة المعتمدة على الضوء لإعادة استخدامها وإعادة تنشيطها.

المرحلة الثالثة: التجديد

في هذه المرحلة ، يغادر جزيء واحد فقط من جزيئات G3P دورة كالفين ويتم إرساله إلى السيتوبلازم للمساهمة في تكوين المركبات الأخرى التي يحتاجها النبات. نظرًا لأن G3P الذي يتم تصديره من البلاستيدات الخضراء يحتوي على ثلاث ذرات كربون ، فإن الأمر يتطلب ثلاث & # 8220 دورة & # 8221 من دورة كالفين لإصلاح صافي كربون كافٍ لتصدير G3P واحد. لكن كل دور يصنع اثنين من G3P ، وبالتالي فإن ثلاث دورات تشكل ستة G3P. يتم تصدير أحدهما بينما تظل جزيئات G3P الخمسة المتبقية في الدورة ويتم استخدامها لتجديد RuBP ، مما يمكّن النظام من الاستعداد لمزيد من ثاني أكسيد الكربون2 ليتم اصلاحه. يتم استخدام ثلاثة جزيئات أخرى من ATP في تفاعلات التجديد هذه.


كيف تحصل مرحلة التمثيل الضوئي المستقلة عن الضوء على أيونات H +؟ - مادة الاحياء

أ. مساران
1. يعمل مساران للإلكترون في غشاء الثايلاكويد: المسار غير الدوري والمسار الدوري.
2. ينتج كلا المسارين ATP ولكن المسار غير الدوري فقط ينتج NADPH.
3. يطلق أحيانًا على إنتاج ATP أثناء عملية التمثيل الضوئي عملية الفسفرة الضوئية ، لذلك تُعرف هذه المسارات أيضًا باسم الفسفرة الضوئية الحلقية وغير الحلقية.

مسار الإلكترون غير الدوري (* ينقسم الماء وينتج NADPH & amp ؛ ATP)

1. يحدث هذا المسار في أغشية الثايلاكويد ويتطلب مشاركة وحدتين لتجميع الضوء: النظام الضوئي الأول (PS I) ونظام الصور الثاني (PS II).
2. النظام الضوئي عبارة عن وحدة ضوئية تتكون من مركب أصباغ ويتم امتصاص الطاقة الشمسية لمستقبل الإلكترون ويتم توليد إلكترونات عالية الطاقة.
3. يحتوي كل نظام ضوئي على مركب أصباغ يتكون من جزيئات الكلوروفيل الأخضر أ وجزيئات الكلوروفيل ب والأصباغ الملحقة البرتقالية والصفراء (على سبيل المثال ، أصباغ كاروتينويد).
4. تنتقل الطاقة الممتصة من جزيء صبغ إلى آخر حتى تتركز في مركز التفاعل الكلوروفيل أ.
5. تصبح الإلكترونات في الكلوروفيل في مركز التفاعل متحمسة لأنها تهرب إلى جزيء متقبل الإلكترون.
6. يبدأ المسار غير الدوري بانتقال إلكترونات PSII من H2O عبر PS II إلى PS I ثم تنتقل إلى NADP +.
7. يمتص مركب الصباغ PS II إلكترونات الطاقة الشمسية عالية الطاقة (e-) تترك مركز التفاعل الكلوروفيل جزيئًا.
8. يأخذ PS II إلكترونات بديلة من H2O ، والتي تنقسم ، وتطلق O2 و H + أيونات:
9. يتم إطلاق الأكسجين كغاز أكسجين (O2).
10. تبقى أيونات H + مؤقتًا داخل فضاء الثايلاكويد وتساهم في تدرج أيون H +.
11. مع تدفق H + إلى أسفل التدرج الكهروكيميائي من خلال مجمعات سينسيز ATP ، يحدث الانقسام الكيميائي.
12. تدخل الإلكترونات منخفضة الطاقة التي تغادر نظام نقل الإلكترون PS I.
13. عندما يمتص المركب الصبغي PS I الطاقة الشمسية ، تترك الإلكترونات عالية الطاقة مركز تفاعل الكلوروفيل a ويتم التقاطها بواسطة متقبل الإلكترون.
14. يقوم متقبل الإلكترون بتمريرها إلى NADP +.
15. يأخذ NADP + H + ليصبح NADPH: NADP + + 2 e- + H + NADPH.
16. يتم استخدام NADPH و ATP بواسطة إلكترونات التدفق غير الحلقية في غشاء الثايلاكويد بواسطة الإنزيمات الموجودة في السدى أثناء التفاعلات المستقلة عن الضوء.

ج. مسار الإلكترون الدوري
1. يبدأ مسار الإلكترون الدوري عندما يمتص مجمع هوائي PS I الطاقة الشمسية.
2. تترك الإلكترونات عالية الطاقة جزيء الكلوروفيل في مركز تفاعل PS I.
3. قبل أن تعود ، تدخل الإلكترونات وتنتقل إلى أسفل نظام نقل الإلكترون.

أ. تنتقل الإلكترونات من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقل.
ب. يتم تخزين الطاقة المنبعثة في شكل تدرج هيدروجين (H +).
ج. عندما تتدفق أيونات الهيدروجين إلى أسفل تدرجها الكهروكيميائي من خلال معقدات سينسيز ATP ، يحدث إنتاج ATP.
د. نظرًا لأن الإلكترونات تعود إلى PSI بدلاً من الانتقال إلى NADP + ، فإن هذا هو سبب تسميتها الدورية وأيضًا سبب عدم إنتاج NADPH.

إنتاج الـ ATP (التناضح الكيميائي)
1. يعمل فضاء الثايلاكويد كخزان لأيونات H + في كل مرة يتم فيها تقسيم H2O ، ويبقى اثنان من H +.
2. تتحرك الإلكترونات من الناقل إلى الناقل ، وتتخلى عن الطاقة المستخدمة لضخ H + من السدى إلى الفضاء الثايلاكويد.
3. تدفق H + من التركيز العالي إلى المنخفض عبر غشاء الثايلاكويد يوفر الطاقة لإنتاج ATP من ADP + P باستخدام إنزيم سينسيز ATP

** الآن هو الوقت المناسب لإلقاء نظرة على الرسوم المتحركة المختلفة لهذه العمليات. الحيلة هي تصويرهم *


توليد ناقل للطاقة: ATP

في التفاعلات المعتمدة على الضوء ، يتم تخزين الطاقة التي يمتصها ضوء الشمس بواسطة نوعين من الجزيئات الحاملة للطاقة: ATP و NADPH. يتم تخزين الطاقة التي تحملها هذه الجزيئات في رابطة تحمل ذرة واحدة للجزيء. بالنسبة لـ ATP ، فهي عبارة عن ذرة فوسفات ، وبالنسبة لـ NADPH ، فهي عبارة عن ذرة هيدروجين. ستتم مناقشة NADH بشكل أكبر فيما يتعلق بالتنفس الخلوي ، والذي يحدث في الميتوكوندريا ، حيث يحمل الطاقة من دورة حمض الستريك إلى سلسلة نقل الإلكترون. عندما تطلق هذه الجزيئات الطاقة في دورة كالفين ، تفقد كل منها ذرات لتصبح الجزيئات منخفضة الطاقة ADP و NADP +.

يشكل تراكم أيونات الهيدروجين في الفضاء الثايلاكويد تدرجًا كهروكيميائيًا بسبب الاختلاف في تركيز البروتونات (H +) والاختلاف في الشحنة عبر الغشاء الذي تخلقه. يتم حصاد هذه الطاقة الكامنة وتخزينها كطاقة كيميائية في ATP من خلال التناضح الكيميائي ، حركة أيونات الهيدروجين إلى أسفل التدرج الكهروكيميائي من خلال إنزيم الغشاء ATP synthase ، تمامًا كما هو الحال في الميتوكوندريا.

يُسمح لأيونات الهيدروجين بالمرور عبر غشاء الثايلاكويد من خلال مركب بروتيني مضمن يسمى سينسيز ATP. هذا البروتين نفسه أنتج ATP من ADP في الميتوكوندريا. تسمح الطاقة المتولدة عن تيار أيون الهيدروجين بتصنيع ATP لربط فوسفات ثالث بـ ADP ، والذي يشكل جزيء ATP في عملية تسمى الفسفرة الضوئية. يسمى تدفق أيونات الهيدروجين عبر سينسيز ATP بالتناضح الكيميائي ، لأن الأيونات تتحرك من منطقة ذات تركيز مرتفع إلى منخفض عبر بنية شبه نفاذة.


توليد ناقل للطاقة: ATP

في التفاعلات المعتمدة على الضوء ، يتم تخزين الطاقة التي يمتصها ضوء الشمس بواسطة نوعين من الجزيئات الحاملة للطاقة: ATP و NADPH. يتم تخزين الطاقة التي تحملها هذه الجزيئات في رابطة تحمل ذرة واحدة للجزيء. بالنسبة لـ ATP ، فهي عبارة عن ذرة فوسفات ، وبالنسبة لـ NADPH ، فهي عبارة عن ذرة هيدروجين. تذكر أن NADH كان جزيءًا مشابهًا يحمل الطاقة في الميتوكوندريون من دورة حمض الستريك إلى سلسلة نقل الإلكترون. عندما تطلق هذه الجزيئات الطاقة في دورة كالفين ، تفقد كل منها ذرات لتصبح الجزيئات منخفضة الطاقة ADP و NADP +.

يشكل تراكم أيونات الهيدروجين في الفضاء الثايلاكويد تدرجًا كهروكيميائيًا بسبب الاختلاف في تركيز البروتونات (H +) والاختلاف في الشحنة عبر الغشاء الذي تخلقه. يتم حصاد هذه الطاقة الكامنة وتخزينها كطاقة كيميائية في ATP من خلال التناضح الكيميائي ، حركة أيونات الهيدروجين إلى أسفل التدرج الكهروكيميائي من خلال إنزيم الغشاء ATP synthase ، تمامًا كما هو الحال في الميتوكوندريون.

يُسمح لأيونات الهيدروجين بالمرور عبر غشاء الثايلاكويد من خلال مركب بروتيني مضمن يسمى سينسيز ATP. هذا البروتين نفسه أنتج ATP من ADP في الميتوكوندريا. تسمح الطاقة المتولدة عن تيار أيون الهيدروجين بتصنيع ATP لربط فوسفات ثالث بـ ADP ، والذي يشكل جزيء ATP في عملية تسمى الفسفرة الضوئية. يسمى تدفق أيونات الهيدروجين عبر سينسيز ATP بالتناضح الكيميائي ، لأن الأيونات تتحرك من منطقة ذات تركيز مرتفع إلى منخفض عبر بنية شبه نفاذة.


المرحلة الأولى: تفاعلات الضوء

في العملية التي تعتمد على الضوء ، والتي تحدث في الجرانا ، فإن بنية الغشاء المكدسة داخل البلاستيدات الخضراء ، تساعد الطاقة المباشرة للضوء المصنع على صنع جزيئات تحمل الطاقة لاستخدامها في المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي. يستخدم المصنع الطاقة الضوئية لتوليد الإنزيم المساعد نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات ، أو NADPH و ATP ، الجزيئات التي تحمل الطاقة. تخزن الروابط الكيميائية في هذه المركبات الطاقة وتستخدم خلال المرحلة المظلمة.


البناء الضوئي

من بين جميع الكائنات الحية ، النباتات فقط هي القادرة على إنتاج طعامها والحصول على الطاقة منه. من خلال إنتاج الطاقة ، توفر النباتات جميع العناصر الغذائية الضرورية والطاقة ، بشكل مباشر أو غير مباشر ، لجميع الكائنات الحية الأخرى.

كيف تنتج النباتات طعامها؟

تسمح عملية التمثيل الضوئي للنباتات بالتقاط الطاقة الموجودة في ضوء الشمس واستخدام هذه الطاقة لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز. يوفر الجلوكوز شكلاً من أشكال الطاقة الكيميائية التي تستخدمها النباتات للنمو والعمل. يتم إطلاق الأكسجين أيضًا أثناء هذه العملية. البناء الضوئي يجعل الحياة ممكنة.

البلاستيدات الخضراء

التمثيل الضوئي هو العملية التي يتم من خلالها تحويل الطاقة في ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية. يحدث التمثيل الضوئي في النباتات في البلاستيدات الخضراء. يأتي اللون الأخضر للورقة من الكلوروفيل ، وهو صبغة توجد داخل البلاستيدات الخضراء. غشاء مزدوج يحيط بالبلاستيدات الخضراء. يسمى السائل الكثيف الموجود داخل البلاستيدات الخضراء السدى. الثايلاكويدات عبارة عن نظام متطور من الأكياس الغشائية المترابطة. هنا ، في غشاء الثايلاكويد ، يوجد الكلوروفيل ويتم التمثيل الضوئي.

الشكل ( PageIndex <1> ). كلوروبلاست (CC BY-NC-SA انها مجرد)

2 مراحل التمثيل الضوئي

يمكن تلخيص التمثيل الضوئي بالمعادلة التالية:

الشكل ( PageIndex <2> ). نظرة عامة على التركيب الضوئي (CC BY-NC-SA دانيال ماير)

عملية التمثيل الضوئي هي في الواقع عمليتان:

تفاعلات ضوئية: تحويل الطاقة الشمسية (ضوء الشمس) إلى طاقة كيميائية (ATP و NADPH).

دورة كالفين (التفاعلات الخفيفة المستقلة): يدمج ثاني أكسيد الكربون من الهواء في الجزيئات العضوية ، والتي تتحول إلى سكر.

الكلوروفيل والجزيئات الأخرى المشاركة في تفاعلات الضوء مدمجة في أغشية الثايلاكويد. توجد الإنزيمات التي تحفز دورة كالفين في سدى البلاستيدات الخضراء. تعمل التفاعلات الضوئية على تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية على شكل ATP و NADPH. تبدأ هذه العملية عندما يمتص الكلوروفيل ضوء الشمس. ثم يتم استخدام ATP و NADPH الناتج عن تفاعلات الضوء بواسطة Calvin Cycle لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سكر. يوفر ATP الطاقة ويوفر NADPH الإلكترونات اللازمة خلال دورة كالفين. يتم نقل ADP و NADP + المتبقيين من دورة Calvin مرة أخرى إلى تفاعلات الضوء لتجديد ATP و NADPH.

الشكل ( PageIndex <3> ). (CC BY-NC-SA)

تفاعلات ضوئية

يستخدم ضوء الشمس لإنتاج ATP و NADPH في تفاعلات الضوء. تم العثور على الجزيئات المشاركة في تفاعلات الضوء في غشاء الثايلاكويد.

لاعبون مهمون في تفاعلات الضوء

نظام الصور الأول (PSI) ونظام الصور الثاني (PSII): تحتوي على جزيئات الكلوروفيل بالإضافة إلى البروتينات الأخرى وهي مسؤولة عن نقل الإلكترونات من الماء إلى NADP + لتكوين NADPH.

سلسلة نقل الإلكترون: يولد مخزونًا من الطاقة الكامنة على شكل تدرج أيون الهيدروجين في الفضاء الثايلاكويد ، مع تركيز H + في الثايلاكويد أعلى من ذلك الموجود في السدى.

سينسيز ATP: يستخدم الطاقة الناتجة عن تدرج أيون الهيدروجين لإنتاج ATP.

الشكل ( PageIndex <4> ). التمثيل الضوئي (CC BY-NC-SA تعميرية)

تحدث التفاعلات المعتمدة على الضوء في 5 مراحل:

1. التقاط الضوء: جزيئات الصباغ (الكلوروفيل) مثبتة في مكانها داخل مجمعات النظام الضوئي بواسطة شبكة من البروتينات. يسمح الموقع الدقيق لجزيئات الصباغ لها بالتقاط الفوتونات (حزم صغيرة من الطاقة).

2. إثارة إلكترون: يكون موضع جزيئات الكلوروفيل داخل النظام الضوئي هو أنه عندما يضرب فوتون من الضوء أي جزيء كلوروفيل في النظام الضوئي ، ينتقل الإثارة من كلوروفيل إلى آخر. في النهاية ، تصل الطاقة إلى جزيء الكلوروفيل الرئيسي الذي يلمس بروتينًا مرتبطًا بالغشاء. ثم يتم نقل الإلكترون المثير من جزيء الكلوروفيل الرئيسي إلى جزيء مستقبِل في الغشاء.

3. نقل الإلكترون: يتم بعد ذلك نقل الإلكترون المثار على طول سلسلة من الجزيئات الحاملة للإلكترون المدمجة في الغشاء. وهذا ما يسمى بنظام نقل الإلكترون. يتم إطلاق الطاقة من الإلكترون بكميات صغيرة حيث يمر الإلكترون على طول نظام نقل الإلكترون. تُستخدم هذه الطاقة لضخ أيونات الهيدروجين (البروتونات ، H +) عبر الغشاء ، مما ينتج عنه تركيز عالٍ من البروتونات على جانب واحد من الغشاء.

4. صنع ATP: يمكن استخدام التركيز العالي للبروتونات كمصدر للطاقة لصنع جزيئات ATP. يُحظر على البروتونات عبور الغشاء ولا يمكنها التحرك مرة أخرى عبر الغشاء إلا في قنوات خاصة. تؤدي حركة البروتونات أثناء مرورها عبر سينسيز ATP إلى تحويل ADP إلى ATP. تسمى هذه العملية بالتناضح الكيميائي وهي تجعل ATP الذي سيتم استخدامه في دورة كالفين لصنع الكربوهيدرات.

5. صنع NADPH: بمجرد أن يغادر الإلكترون نظام النقل ، فإنه يدخل إلى نظام ضوئي آخر حيث يتم إعادة تنشيطه عن طريق امتصاص فوتون آخر من الضوء. يدخل الإلكترون الذي تم تنشيطه حديثًا إلى نظام نقل إلكترون آخر حيث يتم تمريره مرة أخرى على طول سلسلة من الجزيئات الحاملة للإلكترون. يتم نقل الإلكترون في النهاية إلى جزيء NADP + ومع إضافة أيون الهيدروجين ، يتم استخدامه لإنشاء جزيء NADPH. كل من ATP و NADPH مهمان لتركيب الكربوهيدرات في دورة كالفين.

دورة كالفين

تستخدم دورة كالفين ATP و NADPH الناتج عن تفاعلات الضوء لتحويل ثلاثة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون إلى جزيء واحد من سكر ثلاثي الكربون. يمكن للنبات بعد ذلك استخدام هذا السكر الصغير لصنع سكريات أكبر مثل الجلوكوز والمركبات العضوية الأخرى.

المرحلة الأولى: تثبيت الكربون: يدخل ثاني أكسيد الكربون في سدى البلاستيدات الخضراء. يحفز إنزيم الروبيسكو ارتباط ثاني أكسيد الكربون بـ Ribulose bisphophate لإنشاء جزيء 6 كربون غير مستقر ينقسم على الفور إلى جزيئين من 3 كربون من 3-phosphoglycerate.

المرحلة الثانية: التخفيض: يتم فسفرة كل جزيء ثلاثي فوسفوجليسيرات بواسطة ATP لإنشاء 1.3-bisphosphoglycerate. يتبرع NADPH بزوج من الإلكترونات ويقلل 1.3-bisphosphoglycerate ، الذي يفقد مجموعة الفوسفات ويصبح glyceraldehyde 3-phophate (G3P).

المرحلة الثالثة: التجديد: لكل ستة جزيئات من G3P يتم تكوينها ، تستمر خمسة جزيئات في المرحلة 3 ، بينما يتم استخدام ورقة واحدة لإنتاج المركبات العضوية. هناك حاجة إلى ATP لفوسفوريلات G3P لتجديد Ribulose bisphosphate.

/>
دروس التركيب الضوئي الدكتورة كاثرين هاريس مرخص بموجب أ المشاع الإبداعي Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License.


علم الأحياء التمثيل الضوئي جزء لكل تريليون.

استنتاجات من تجربة فان هيلمونت  "... نشأ 164 رطلاً من الخشب واللحاء والجذور من الماء وحده." كتلة الشجرة لم تأت من التربة. صحيح جزئيًا هل كان فان هيلمونت على صواب؟ _____________________

تأتي كتلة النبات جزئيًا من الماء ... ليس من التربة (باستثناء جزء ضئيل)

النباتات مصنوعة من الكربوهيدرات. مصطلح "هيدرات" = الماء.

في أواخر القرن الثامن عشر الميلادي ، اكتشف جوزيف بريستلي ، إنجلترا ، جوزيف بريستلي ، الأكسجين في عام 1774

 واصل تجربة الغازات والنباتات والحيوانات.

مع مجموعتك تحليل تجربة بريستلي!

تجربة بريستلي في التمثيل الضوئي  خلص بريستلي إلى أن النباتات الخضراء تنتج "الأكسجين" ، وهو أمر ضروري لحرق النار وتنفس الحيوانات.

ولد Jan Ingenhousz في أواخر القرن الثامن عشر الميلادي  Jan Ingenhousz في عام 1730 في هولندا. تدرب كطبيب.

 في عام 1779 ، تولى إنجنهاوس منصبًا في نفس المختبر مثل جوزيف بريستلي.

قام Ingenhousz بإجراء بحث حول التمثيل الضوئي.

تجربة التمثيل الضوئي التي أجراها Ingenhousz وضع Ingenhousz نبات البركة في وعاء مملوء بالماء

وضع الجرة في ضوء الشمس الساطع ولاحظ الفقاعات التي ينتجها النبات

وضع الجرة في ظروف الإضاءة المنخفضة ولم يلاحظ أي فقاعات ناتجة عن النبات

تجربة التمثيل الضوئي لـ Ingenhousz عرف Ingenhousz أن الفقاعات التي تنتجها النباتات مصنوعة من غاز الأكسجين.

وخلص إلى أن الأكسجين لا ينتج إلا إذا كان النبات الأخضر في وجود الضوء __________.

البناء الضوئي  بحلول منتصف القرن التاسع عشر ، كان من المفهوم أن النباتات تنتج الجلوكوز (نوع من الكربوهيدرات) والأكسجين باستخدام الطاقة الضوئية وثاني أكسيد الكربون والماء.

الضوء عندما تنعكس كل الألوان الموجودة في الضوء الأبيض على أعيننا ، نرى الأبيض!

عندما يمتص جسم كل الألوان الموجودة في الضوء الأبيض ، نرى أسود!

يظهر السطح بلون معين لأنه يحتوي على "صبغة" تعكس ذلك اللون المحدد وتمتص كل الألوان الأخرى.

 صبغة = جزيء ملون يمتص الضوء *

اسم اللون  ما هو لون السترة التي تمتص الضوء الأزرق والأخضر والأصفر؟ (تلميح: ما هو اللون الذي لا يتم امتصاصه ولكن يجب أن ينعكس بدلاً من ذلك؟)

أي لون تعكسه هذه السترة؟

اسم اللون  ما هو لون زوج الجينز الذي يمتص كل ألوان قوس قزح؟

ما هو اللون الذي يعكسه الجينز؟ لا أحد!

ما هي الألوان التي تمتصها

النباتات الخضراء تعكس الضوء الأخضر  تمتص كل ألوان الضوء الأخرى

البناء الضوئي  إذا كانت الكائنات الحية تصنع طعامها فإنها تسمى ذاتية التغذية

أو  الكائنات الحية تأكل النباتات أو الحيوانات وتسمى غيرية التغذية __________________________________

التمثيل الضوئي  تستخدم Autotrophs الطاقة الضوئية من الشمس (أو الطاقة الكيميائية) لإنتاج السكريات / الكربوهيدرات الغنية بالطاقة. أمثلة على autotrophs: النباتات الخضراء بعض البروتيستا _____________________ ، ________________ ، بعض البكتيريا ____________________________

تأتي الطاقة في معظم النظم البيئية على الأرض من

التمثيل الضوئي  يدخل ثاني أكسيد الكربون إلى النباتات من خلال الثغور في الأوراق والساق.

 O2 والماء يخرجان من الثغور *

يدخل الماء  H2O النباتات من خلال الجذور وتحمله الأوردة إلى الأوراق. ينتقل الماء عبر نسيج النبات (الأوردة الصاعدة) من الجذور إلى الأوراق

منتجات التمثيل الضوئي الجلوكوز والأكسجين. يتم نقل الجلوكوز من أوراق النبات في اللحاء (الأوردة السفلية) إلى أجزاء النبات التي لا يحدث فيها التمثيل الضوئي (الجذور ، الزهور).

يتم تخزين الجلوكوز في الفواكه (التفاح ، البرتقال ، إلخ) والجذور (البصل ، البطاطس ، إلخ)

يتم إطلاق الأكسجين من الثغور.

التمثيل الضوئي  ورقة عمل كاملة عن النباتات الخضراء!

ما المطلوب أيضًا لعملية التمثيل الضوئي؟ يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء للخلايا النباتية.

تصنع البلاستيدات الخضراء من  ثايلاكويدات - أغشية تشبه الكيس وتحتوي على جزيئات من الكلوروفيل ، وهو صبغة تمتص الضوء الأحمر والأزرق.  السدى - مساحة خارج الثايلاكويد

• تحتوي بعض النباتات على أصباغ تعكس اللون الأصفر والأحمر. • في الخريف ، تتحلل صبغة الكلوروفيل وتنكشف الألوان الأخرى!

إذا كانت النباتات تحتوي على الكلوروفيل ، فلماذا يتحول لونها في الخريف؟

عمليات التمثيل الضوئي  عملية ذات مرحلتين: تفاعل خفيف و  تفاعل خفيف مستقل أو CALVIN CYCLE

رد الفعل المعتمد على الضوء يحدث فقط في الضوء! يحدث في الثايلاكويد  هذا هو المكان الذي يوجد فيه الكلوروفيل

التفاعل المعتمد على الضوء  يدخل H2O إلى الثايلاكويد تتفكك الروابط الكيميائية التي تربط H2O معًا ويتم إطلاق جزيئات H + والأكسجين

 تستخدم أيونات H + في صنع الجلوكوز. يتم إطلاق O2 من خلال الثغور. هذا هو الأكسجين الذي نتنفسه.

التفاعل المعتمد على الضوء (تابع)  تدخل الطاقة الضوئية إلى الثايلاكويد يتم تحويل هذه الطاقة إلى طاقة كيميائية ويتم تخزينها في مركبين كيميائيين:  ATP (Adenosine Triphosphate) المحولة بواسطة الطاقة الضوئية من 

ADP (منخفض الطاقة) NADPH تم تحويله بواسطة الطاقة الضوئية من NADP + (طاقة منخفضة)

 ملاحظة: الطاقة الضوئية لم يتم إنشاؤها أو تدميرها بواسطة النبات ، لكنها تغيرت أشكالها.

 ما يجب القيام به: أكمل قسم التفاعل المعتمد على الضوء في ورقة عمل التركيب الضوئي!

التحقق من الحقائق - التفاعل المعتمد على الضوء (ص 4) 1. في أي جزء من البلاستيدات الخضراء يحدث التفاعل المعتمد على الضوء؟

2. أي اثنين من الجزيئات عالية الطاقة يتم إنتاجها باستخدام الطاقة الضوئية من الشمس؟

3. ما هو "ناتج النفايات" للتفاعل المعتمد على الضوء؟ الأكسجين

4. كيف يخرج منتج النفايات هذا من الخلايا النباتية؟

5. أي جزء من جزيء الماء يستخدم لصنع جزيء الجلوكوز؟

6. ما هو دور ضوء الشمس في عملية التمثيل الضوئي؟

تفاعل الضوء المستقل أو دورة كالفين 1. يحدث في السدى - الفضاء المحيط بأغشية الثايلاكويد 2. يحدث في الضوء أو الظلام

تفاعل خفيف أو دورة كالفين 3. يدخل ثاني أكسيد الكربون في البلاستيدات الخضراء من خلال الثغور. 4. يتم استخدام الطاقة المخزنة أثناء التفاعل المعتمد على الضوء (ATP و NADPH) للتحويل

CO2 + H + (من الماء)  C6H12O6

تفاعل خفيف مستقل أو طاقة كيميائية لدورة كالفين في ATP + NADPH

H + CO2 الجلوكوز روابط منخفضة الطاقة في CO2

روابط عالية الطاقة في الجلوكوز

ATP (جزيء عالي الطاقة)  ADP (جزيء منخفض الطاقة) NAPDH (جزيء عالي الطاقة)  NADP + (جزيء منخفض الطاقة

يجب القيام به: أكمل قسم التفاعل المعتمد على الضوء n-v في ورقة عمل التمثيل الضوئي!

فحص الحقائق - رد الفعل المستقل الخفيف 1.

في أي جزء من البلاستيدات الخضراء يحدث تفاعل الضوء المستقل؟ سدى

ما هو الاسم الآخر لرد الفعل المستقل الخفيف؟ دورة كالفن لماذا تسمى تفاعل الضوء المستقل؟

يحدث مع أو بدون ضوء الشمس

أي جزيء يضاف إلى H + (من التفاعل المعتمد على الضوء) لصنع الجلوكوز؟ ثاني أكسيد الكربون

كيف يدخل الجزيء المشار إليه في رقم 4 إلى البلاستيدات الخضراء؟ الثغور ما الجزيء المستخدم لتوفير الطاقة الكيميائية للروابط عالية الطاقة التي تربط جزيئات الجلوكوز معًا؟ ATP

جزيئات الطاقة: يتم شحن ADP بواسطة الطاقة الضوئية لإنتاج ATP

 يتم شحن NADP + بالطاقة الضوئية لإنتاج NADPH

العوامل المؤثرة على التمثيل الضوئي 1. الضوء - غياب الضوء - لا يوجد التمثيل الضوئي

العوامل التي تؤثر على التمثيل الضوئي 2 زيادة شدة الضوء تزيد من معدل التفاعل (حتى نقطة معينة - هذه النقطة تعتمد على نوع معين من النباتات)

3 الماء - يؤدي عدم وجود الماء إلى إبطاء العملية أو إيقافها

العوامل التي تؤثر على التمثيل الضوئي 4. درجة الحرارة - لا يحدث التمثيل الضوئي إذا كانت أقل من نقطة التجمد (0 درجة مئوية أو 32 درجة فهرنهايت) أو أعلى من 35 درجة مئوية / 95 درجة فهرنهايت.

هل تتوقع أن يكون نقص ثاني أكسيد الكربون مشكلة لنمو النبات على الأرض؟ لما و لما لا؟

العوامل البيئية التي تؤثر على التمثيل الضوئي  ورقة عمل كاملة "الطاقة في الخلية": التفكير النقدي وحل المشكلات


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • اشرح كيف تمتص النباتات الطاقة من ضوء الشمس
  • وصف الأطوال الموجية القصيرة والطويلة للضوء
  • صف كيف وأين يحدث التمثيل الضوئي داخل النبات

كيف يمكن استخدام الطاقة الضوئية لصنع الطعام؟ عندما يقوم شخص ما بتشغيل المصباح ، تصبح الطاقة الكهربائية طاقة ضوئية. مثل جميع أشكال الطاقة الحركية الأخرى ، يمكن للضوء أن ينتقل ويغير شكله ويتم تسخيره للقيام بالعمل. في حالة التمثيل الضوئي ، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية ، والتي تستخدمها الضوئية لبناء جزيئات الكربوهيدرات الأساسية ((الشكل)). ومع ذلك ، فإن autotrophs تستخدم فقط عددًا قليلاً من الأطوال الموجية المحددة لأشعة الشمس.


ما هي الطاقة الضوئية؟

تبعث الشمس كمية هائلة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (الطاقة الشمسية في طيف من أشعة جاما القصيرة جدًا إلى موجات الراديو الطويلة جدًا). يمكن للبشر رؤية جزء صغير فقط من هذه الطاقة ، والتي نشير إليها باسم "الضوء المرئي". توصف الطريقة التي تنتقل بها الطاقة الشمسية بأنها موجات. يمكن للعلماء تحديد كمية طاقة الموجة عن طريق قياس طولها الموجي (الأطوال الموجية الأقصر أقوى من الأطوال الموجية الأطول) - المسافة بين نقاط القمة المتتالية للموجة. لذلك ، يتم قياس موجة واحدة من نقطتين متتاليتين ، مثل من القمة إلى القمة أو من القاع إلى القاع ((الشكل)).


يشكل الضوء المرئي نوعًا واحدًا فقط من العديد من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس والنجوم الأخرى. يميز العلماء الأنواع المختلفة للطاقة المشعة عن الشمس ضمن الطيف الكهرومغناطيسي. الطيف الكهرومغناطيسي هو نطاق جميع الترددات الممكنة للإشعاع ((الشكل)). الفرق بين الأطوال الموجية يتعلق بكمية الطاقة التي تحملها.


ينتقل كل نوع من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي عند طول موجي معين. كلما زاد الطول الموجي ، قلت الطاقة التي يحملها. تحمل الموجات القصيرة والضيقة أكبر قدر من الطاقة. قد يبدو هذا غير منطقي ، لكن فكر في الأمر من منظور قطعة من حبل ثقيل متحرك. لا يتطلب الأمر سوى القليل من الجهد من قبل الشخص لتحريك الحبل في موجات طويلة وواسعة. لجعل الحبل يتحرك في موجات ضيقة قصيرة ، سيحتاج الشخص إلى بذل قدر أكبر من الطاقة بشكل ملحوظ.

يُظهر الطيف الكهرومغناطيسي ((الشكل)) عدة أنواع من الإشعاع الكهرومغناطيسي الناشئ عن الشمس ، بما في ذلك الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية. يمكن لموجات الطاقة العالية أن تخترق الأنسجة وتتلف الخلايا والحمض النووي ، وهو ما يفسر لماذا يمكن أن تكون الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية ضارة بالكائنات الحية.

امتصاص الضوء

تبدأ الطاقة الضوئية في عملية التمثيل الضوئي عندما تمتص الأصباغ أطوال موجية محددة من الضوء المرئي. تحتوي الأصباغ العضوية ، سواء في شبكية العين أو ثيلاكويد البلاستيدات الخضراء ، على نطاق ضيق من مستويات الطاقة التي يمكنها امتصاصها. مستويات الطاقة الأقل من تلك التي يمثلها الضوء الأحمر غير كافية لرفع الإلكترون المداري إلى حالة مثارة (كمومية). ستؤدي مستويات الطاقة الأعلى من تلك الموجودة في الضوء الأزرق إلى تمزيق الجزيئات جسديًا ، في عملية تسمى التبييض. يمكن لأصباغ شبكية العين "رؤية" (امتصاص) أطوال موجية تتراوح بين 700 نانومتر و 400 نانومتر من الضوء ، وهو طيف يسمى بالتالي الضوء المرئي. للأسباب نفسها ، تمتص جزيئات الصباغ والنباتات الضوء فقط في نطاق الطول الموجي من 700 نانومتر إلى 400 نانومتر. يشير علماء فسيولوجيا النبات إلى هذا النطاق للنباتات على أنه إشعاع نشط ضوئيًا.

الضوء المرئي الذي يراه البشر على أنه ضوء أبيض موجود في الواقع في قوس قزح من الألوان. تقوم أجسام معينة ، مثل المنشور أو قطرة ماء ، بتشتيت الضوء الأبيض للكشف عن الألوان للعين البشرية. يُظهر جزء الضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي قوس قزح من الألوان ، مع البنفسجي والأزرق بأطوال موجية أقصر ، وبالتالي طاقة أعلى. في الطرف الآخر من الطيف باتجاه اللون الأحمر ، تكون الأطوال الموجية أطول ولديها طاقة أقل ((الشكل)).


فهم الصبغات

توجد أنواع مختلفة من الأصباغ ، وكل منها يمتص فقط أطوال موجية محددة (ألوان) من الضوء المرئي. تعكس الأصباغ أو تنقل الأطوال الموجية التي لا تستطيع امتصاصها ، مما يجعلها تبدو مزيجًا من ألوان الضوء المنعكسة أو المنقولة.

الكلوروفيل والكاروتينات هما الفئتان الرئيسيتان من أصباغ التمثيل الضوئي الموجودة في النباتات والطحالب ولكل فئة أنواع متعددة من جزيئات الصباغ. هناك خمسة أنواع رئيسية من الكلوروفيل: أ, ب, ج و د وجزيء ذو صلة موجود في بدائيات النوى يسمى جرثومي كلوروفيل. الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب توجد في البلاستيدات الخضراء النباتية الأعلى وستكون محور المناقشة التالية.

مع العشرات من الأشكال المختلفة ، فإن الكاروتينات هي مجموعة أكبر بكثير من الأصباغ. تُستخدم الكاروتينات الموجودة في الفاكهة - مثل أحمر الطماطم (اللايكوبين) ، أو أصفر بذور الذرة (زياكسانثين) ، أو برتقالة قشر البرتقال (كاروتين - كاروتين) - كإعلانات لجذب مشتتات البذور. في عملية التمثيل الضوئي ، تعمل الكاروتينات كأصباغ ضوئية وهي جزيئات فعالة للغاية للتخلص من الطاقة الزائدة. عندما تتعرض الورقة لأشعة الشمس الكاملة ، فإن التفاعلات المعتمدة على الضوء مطلوبة لمعالجة كمية هائلة من الطاقة إذا لم يتم التعامل مع هذه الطاقة بشكل صحيح ، فيمكن أن تحدث أضرارًا كبيرة. لذلك ، توجد العديد من الكاروتينات في غشاء الثايلاكويد ، وتمتص الطاقة الزائدة ، وتبدد هذه الطاقة بأمان كحرارة.

يمكن التعرف على كل نوع من الصباغ من خلال النمط المحدد للأطوال الموجية التي يمتصها من الضوء المرئي: وهذا ما يسمى طيف الامتصاص. يوضح الرسم البياني في (الشكل) أطياف امتصاص الكلوروفيل أالكلوروفيل ب، ونوع من أصباغ الكاروتين يسمى بيتا كاروتين (الذي يمتص الضوء الأزرق والأخضر). لاحظ كيف أن لكل صبغة مجموعة مميزة من القمم والقيعان ، مما يكشف عن نمط امتصاص محدد للغاية. الكلوروفيل أ يمتص الأطوال الموجية من أي من طرفي الطيف المرئي (الأزرق والأحمر) ، ولكن ليس الأخضر. لأن اللون الأخضر ينعكس أو ينتقل ، يظهر الكلوروفيل باللون الأخضر. تمتص الكاروتينات في المنطقة الزرقاء ذات الطول الموجي القصير ، وتعكس الأطوال الموجية الأطول من الأصفر والأحمر والبرتقالي.


تحتوي العديد من كائنات التمثيل الضوئي على مزيج من الأصباغ ، وباستخدام هذه الأصباغ ، يمكن للكائن الحي امتصاص الطاقة من نطاق أوسع من الأطوال الموجية. لا تتمتع جميع الكائنات الحية الضوئية بوصول كامل إلى ضوء الشمس. تنمو بعض الكائنات الحية تحت الماء حيث تنخفض شدة الضوء وجودته وتتغير مع العمق. تنمو الكائنات الحية الأخرى في المنافسة على الضوء. يجب أن تكون النباتات الموجودة في أرض الغابة المطيرة قادرة على امتصاص أي جزء من الضوء يأتي من خلالها ، لأن الأشجار الأطول تمتص معظم ضوء الشمس وتبعثر الإشعاع الشمسي المتبقي ((الشكل)).


عند دراسة كائن التمثيل الضوئي ، يمكن للعلماء تحديد أنواع الأصباغ الموجودة عن طريق توليد أطياف الامتصاص. يمكن لأداة تسمى مقياس الطيف الضوئي أن تفرق بين الأطوال الموجية للضوء التي يمكن للمادة أن تمتصها. تقيس أجهزة قياس الطيف الضوئي الضوء المرسل وتحسب الامتصاص منه. عن طريق استخراج أصباغ من الأوراق ووضع هذه العينات في مقياس الطيف الضوئي ، يمكن للعلماء تحديد الأطوال الموجية للضوء التي يمكن للكائن الحي امتصاصها. تتضمن الطرق الإضافية لتحديد أصباغ النبات أنواعًا مختلفة من الكروماتوغرافيا التي تفصل الأصباغ حسب صلاتها النسبية مع الأطوار الصلبة والمتحركة.

كيف تعمل التفاعلات المعتمدة على الضوء

تتمثل الوظيفة العامة للتفاعلات المعتمدة على الضوء في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية على شكل NADPH و ATP. تدعم هذه الطاقة الكيميائية التفاعلات المستقلة للضوء وتغذي تجميع جزيئات السكر. التفاعلات المعتمدة على الضوء موضحة في (الشكل). تعمل مجمعات البروتين وجزيئات الصبغة معًا لإنتاج NADPH و ATP. يُشتق ترقيم الأنظمة الضوئية من ترتيب اكتشافها ، وليس من ترتيب نقل الإلكترونات.


تحدث الخطوة الفعلية التي تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية في مجمع متعدد البروتينات يسمى نظام ضوئي ، يوجد نوعان منها مضمن في غشاء الثايلاكويد: النظام الضوئي II (PSII) ونظام الصور الأول (PSI) ((الشكل)). يختلف المركبان على أساس ما يؤكسدانه (أي مصدر إمداد الإلكترون منخفض الطاقة) وما يختزلانه (المكان الذي يوصلون إليه إلكتروناتهم النشطة).

كلا النظامين الضوئي لهما نفس البنية الأساسية لعدد من بروتينات الهوائي التي ترتبط بها جزيئات الكلوروفيل تحيط بمركز التفاعل حيث تحدث الكيمياء الضوئية. تتم خدمة كل نظام ضوئي من خلال مجمع حصاد الضوء ، والذي ينقل الطاقة من ضوء الشمس إلى مركز التفاعل ، ويتكون من بروتينات هوائي متعددة تحتوي على خليط من 300 إلى 400 كلوروفيل أ و ب الجزيئات بالإضافة إلى أصباغ أخرى مثل الكاروتينات. إن امتصاص فوتون واحد أو كمية مميزة أو "حزمة" من الضوء بواسطة أي من الكلوروفيل يدفع ذلك الجزيء إلى حالة مثارة. باختصار ، تم التقاط الطاقة الضوئية الآن بواسطة الجزيئات البيولوجية ولكن لم يتم تخزينها بأي شكل مفيد حتى الآن. يتم نقل الطاقة من الكلوروفيل إلى الكلوروفيل حتى يتم تسليمها في النهاية (بعد حوالي جزء من المليون من الثانية) إلى مركز التفاعل. حتى هذه النقطة ، تم نقل الطاقة فقط بين الجزيئات ، وليس بين الإلكترونات.


ما هو المصدر الأولي للإلكترونات لسلسلة نقل الإلكترون البلاستيدات الخضراء؟

يحتوي مركز التفاعل على زوج من الكلوروفيل أ جزيئات ذات خاصية خاصة. يمكن أن يخضع هذان الكلوروفيل للأكسدة عند الإثارة ، ويمكنهما في الواقع التخلي عن إلكترون في عملية تسمى تأثير ضوئي. في هذه الخطوة في مركز التفاعل أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى إلكترون متحمس. تتضمن جميع الخطوات اللاحقة الحصول على هذا الإلكترون على حامل الطاقة NADPH لتسليمه إلى دورة كالفين حيث يتم ترسيب الإلكترون على الكربون لتخزينه على المدى الطويل على شكل كربوهيدرات. PSII و PSI هما مكونان رئيسيان في سلسلة نقل الإلكترون الضوئي ، والتي تشمل أيضًا مجمع السيتوكروم. ينقل مركب السيتوكروم ، وهو إنزيم يتكون من مركبين بروتينيين ، الإلكترونات من الجزيء الناقل بلاستوكينون (Pq) إلى بروتين بلاستوسيانين (Pc) ، مما يتيح نقل البروتونات عبر غشاء الثايلاكويد ونقل الإلكترونات من PSII إلى PSI.

يسلم مركز تفاعل PSII (المسمى P680) إلكتروناته عالية الطاقة ، واحدًا تلو الآخر ، إلى متقبل الإلكترون الأساسي ، ومن خلال سلسلة نقل الإلكترون (Pq إلى مجمع السيتوكروم إلى البلاستوسيانين) إلى PSI. يتم استبدال الإلكترون المفقود لـ P680 عن طريق استخراج إلكترون منخفض الطاقة من الماء وبالتالي ، يتم "تقسيم" الماء خلال هذه المرحلة من البناء الضوئي ، ويتم إعادة تقليل PSII بعد كل تأثير ضوئي. تقسيم واحد H.2يطلق جزيء O إلكترونين ، وذرتين من الهيدروجين ، وذرة واحدة من الأكسجين. ومع ذلك ، فإن تقسيم جزيئين مطلوب لتكوين جزيء واحد من ثنائي الذرة O2 غاز. يتم استخدام حوالي 10 في المائة من الأكسجين بواسطة الميتوكوندريا في الورقة لدعم الفسفرة المؤكسدة. يهرب الباقي إلى الغلاف الجوي حيث تستخدمه الكائنات الهوائية لدعم التنفس.

عندما تتحرك الإلكترونات عبر البروتينات الموجودة بين PSII و PSI ، فإنها تفقد الطاقة. تُستخدم هذه الطاقة لنقل ذرات الهيدروجين من الجانب اللحمي للغشاء إلى تجويف الثايلاكويد. تتراكم ذرات الهيدروجين هذه ، بالإضافة إلى الذرات الناتجة عن تقسيم الماء ، في تجويف الثايلاكويد وسيتم استخدامها في تصنيع ATP في خطوة لاحقة. نظرًا لأن الإلكترونات فقدت الطاقة قبل وصولها إلى PSI ، فيجب إعادة تنشيطها بواسطة PSI ، وبالتالي ، يتم امتصاص فوتون آخر بواسطة هوائي PSI. يتم نقل هذه الطاقة إلى مركز تفاعل PSI (يسمى P700). يتأكسد P700 ويرسل إلكترونًا عالي الطاقة إلى NADP + لتشكيل NADPH. وهكذا ، يلتقط PSII الطاقة لإنشاء تدرجات بروتون لصنع ATP ، ويلتقط PSI الطاقة لتقليل NADP + إلى NADPH. يعمل النظامان الضوئيان في تناغم جزئي ، لضمان أن إنتاج NADPH سيعادل تقريبًا إنتاج ATP. توجد آليات أخرى لضبط هذه النسبة لتتناسب تمامًا مع احتياجات الطاقة المتغيرة باستمرار للبلاستيدات الخضراء.

توليد ناقل للطاقة: ATP

كما هو الحال في الفضاء بين الغشاء للميتوكوندريا أثناء التنفس الخلوي ، فإن تراكم أيونات الهيدروجين داخل تجويف الثايلاكويد يخلق تدرج التركيز. يتم تسخير الانتشار السلبي لأيونات الهيدروجين من التركيز العالي (في تجويف الثايلاكويد) إلى التركيز المنخفض (في السدى) لإنشاء ATP ، تمامًا كما هو الحال في سلسلة نقل الإلكترون للتنفس الخلوي. تقوم الأيونات بتكوين الطاقة بسبب الانتشار ولأن كل منها لها نفس الشحنة الكهربائية ، مما يجعلها تتنافر.

لإطلاق هذه الطاقة ، سوف تندفع أيونات الهيدروجين عبر أي فتحة ، على غرار تدفق الماء من خلال ثقب في السد. في الثايلاكويد ، هذا الفتح عبارة عن ممر عبر قناة بروتينية متخصصة تسمى سينسيز ATP. تسمح الطاقة المنبعثة من تيار أيون الهيدروجين لـ ATP synthase بربط مجموعة فوسفات ثالثة بـ ADP ، والتي تشكل جزيء ATP ((الشكل)). يسمى تدفق أيونات الهيدروجين عبر سينسيز ATP بالتناضح الكيميائي لأن الأيونات تتحرك من منطقة عالية إلى منطقة ذات تركيز منخفض من خلال بنية شبه نفاذة من الثايلاكويد.

اعرض التركيب الضوئي: تفاعلات الضوء (رسوم فلاش المتحركة) لمعرفة المزيد حول عملية التمثيل الضوئي داخل الورقة.

ملخص القسم

تمتص أصباغ الجزء الأول من عملية التمثيل الضوئي ، التفاعلات المعتمدة على الضوء ، الطاقة من ضوء الشمس. يضرب الفوتون أصباغ الهوائي للنظام الضوئي II لبدء عملية التمثيل الضوئي. تنتقل الطاقة إلى مركز التفاعل الذي يحتوي على الكلوروفيل أ ثم إلى سلسلة نقل الإلكترون ، التي تضخ أيونات الهيدروجين إلى داخل الثايلاكويد. يؤدي هذا الإجراء إلى تكوين تركيز عالٍ من أيونات الهيدروجين. تتدفق أيونات الهيدروجين عبر تخليق ATP أثناء التشبع الكيميائي لتشكيل جزيئات ATP ، والتي تُستخدم لتشكيل جزيئات السكر في المرحلة الثانية من التمثيل الضوئي. يمتص النظام الضوئي I فوتونًا ثانيًا ، مما ينتج عنه تكوين جزيء NADPH ، وطاقة أخرى وتقليل الناقل للتفاعلات المستقلة عن الضوء.

اتصالات فنية

(الشكل) ما هو مصدر الإلكترونات لسلسلة نقل الإلكترون البلاستيدات الخضراء؟


شاهد الفيديو: تجربة تأثير الضوء على عملية البناء الضوئي (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Ratib

    حسنًا ، توصل إلى

  2. Ronn

    أعتقد أنك كنت مخطئا. أنا قادر على إثبات ذلك. اكتب لي في رئيس الوزراء ، ناقشها.

  3. Corbyn

    توافق ، قطعة مفيدة



اكتب رسالة