مكونات التمثيل الضوئي

المحتوى

• مكونات التمثيل الضوئي
• ملخص التمثيل الضوئي
• كيف يترك الدعم التمثيل الضوئي
• البلاستيدات الخضراء: مصانع التمثيل الضوئي
• ما هي Thylakoids ل؟
• ردود الفعل الخفيفة: ضوء يصل إلى الغشاء الثايلاكويد
• ردود الفعل الخفيفة: النقل الإلكتروني
• ردود الفعل الخفيفة: الفسفرة الضوئية
• رد فعل الظلام: تثبيت الكربون

لا شك أن الجنس البشري هو الكائنات الحية المفضلة خارج مملكة الحيوانات. بصرف النظر عن قدرة النباتات على إطعام الناس في العالم - من دون الفواكه والخضروات والمكسرات والحبوب ، من غير المحتمل أن تكون أنت أو هذه المقالة موجودة - النباتات تبجل لجمالها ودورها في كل أنواع الاحتفالات البشرية. إن تمكنهم من القيام بذلك دون القدرة على الحركة أو الأكل أمر رائع بالفعل.

في الواقع ، تستخدم النباتات نفس الجزيء الأساسي الذي تفعله جميع أشكال الحياة من أجل النمو والبقاء والتكاثر: الكربوهيدرات الصغيرة ذات الست حلقات الكربونية. جلوكوز. ولكن بدلاً من تناول مصادر هذا السكر ، فإنهم يصنعونه بدلاً من ذلك. كيف يكون هذا ممكنًا ، وبالنظر إلى ذلك ، لماذا لا يفعل البشر والحيوانات الأخرى الشيء نفسه ببساطة وينقذون أنفسهم من مشكلة البحث عن الطعام وجمعه وتخزينه واستهلاكه؟

الجواب هو البناء الضوئي، سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تستخدم فيها الخلايا النباتية طاقة من ضوء الشمس لصنع الجلوكوز. ثم تستخدم النباتات بعض الجلوكوز لاحتياجاتها الخاصة بينما يبقى الباقي متاحًا للكائنات الحية الأخرى.

مكونات التمثيل الضوئي

قد يكون الطلاب الأذكياء سريعين في طرح الأسئلة التالية: "خلال عملية التمثيل الضوئي في النباتات ، ما هو مصدر الكربون في جزيء السكر الذي ينتجه النبات؟" لا تحتاج إلى درجة علمية لنفترض أن "الطاقة من الشمس" تتكون من الضوء ، وأن هذا الضوء لا يحتوي على أي من العناصر التي تشكل الجزيئات الموجودة في أغلب الأحيان في النظم الحية. (يتكون الضوء من الفوتونات، وهي جزيئات عديمة الكتلة غير موجودة في الجدول الدوري للعناصر.)

أسهل طريقة لإدخال أجزاء مختلفة من التمثيل الضوئي هي أن تبدأ مع الصيغة الكيميائية التي تلخص العملية برمتها.

6 ساعات₂شركة O + 6₂ → C₆هيدروجين₁₂O₆+ 6 يا₂

وبالتالي فإن المواد الخام لعملية التمثيل الضوئي هي الماء (H₂O) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) ، وكلاهما وفيرة على الأرض وفي الجو ، في حين أن المنتجات هي الجلوكوز (C₆هيدروجين₁₂O₆) وغاز الأكسجين (O₂).

ملخص التمثيل الضوئي

فيما يلي ملخص تخطيطي لعملية التمثيل الضوئي ، يتم وصف مكوناتها بالتفصيل في الأقسام التالية. (في الوقت الحالي ، لا تقلق بشأن الاختصارات التي قد لا تكون على دراية بها.)

تُعرف الخطوات الأربعة الأولى من هذه الخطوات بتفاعلات الضوء أو التفاعلات المعتمدة على الضوء ، لأنها تعتمد تمامًا على ضوء الشمس للتشغيل. دورة كالفن ، في المقابل ، تسمى رد فعل الظلام، المعروف أيضا باسم ردود الفعل الخفيفة المستقلة. بينما ، كما يوحي الاسم ، يمكن أن يعمل رد الفعل المظلم بدون مصدر للضوء ، ولكنه يعتمد على المنتجات التي تم إنشاؤها في التفاعلات المعتمدة على الضوء للمتابعة.

كيف يترك الدعم التمثيل الضوئي

إذا كنت قد نظرت من قبل إلى رسم تخطيطي لجزء من جلد الإنسان (أي ، كيف سيكون شكله من الجانب إذا كنت تستطيع النظر إليه طوال الطريق من السطح إلى أي نسيج تلتقي به البشرة) ربما لاحظت أن الجلد يحتوي على طبقات مميزة. تحتوي هذه الطبقات على مكونات مختلفة بتركيزات مختلفة ، مثل غدد العرق وبصيلات الشعر.

يتم ترتيب تشريح ورقة بطريقة مماثلة ، إلا أن يترك تواجه العالم الخارجي على اثنان الجانبين. عند الانتقال من أعلى الورقة (التي تعتبر الضوء الذي يواجه الضوء في معظم الأحيان) إلى الجانب السفلي ، تشتمل الطبقات على بشرة، معطف شمعي رقيق وقائي ؛ ال البشرة العليا. ال نسيج الورقة المتوسط. ال البشرة السفلى. وطبقة بشرة الثانية.

ميزوفيل نفسه يشمل العلوي جرف طبقة ، مع خلايا مرتبة في أعمدة أنيقة ، وأقل إسفنجي الطبقة ، التي لديها عدد أقل من الخلايا وتباعد أكبر بينهما. يحدث التمثيل الضوئي في الميزوفيل ، وهو أمر منطقي لأنه الطبقة الأكثر سطحية من ورقة من أي مادة وأقرب إلى أي ضوء يصيب سطح الأوراق.

البلاستيدات الخضراء: مصانع التمثيل الضوئي

الكائنات التي يجب أن تحصل على تغذية من الجزيئات العضوية في بيئتها (أي من المواد التي يسميها البشر "الغذاء") تعرف باسم كائن غيري التغذية. النباتات ، من ناحية أخرى ، هي autotrophs حيث يبنون هذه الجزيئات داخل خلاياهم ثم يستخدمون ما يحتاجون إليه قبل أن يتم إرجاع باقي الكربون المرتبط بالنظام البيئي عندما يموت النبات أو يؤكل.

يحدث التمثيل الضوئي في العضيات ("الأعضاء الصغيرة") في الخلايا النباتية المسماة البلاستيدات الخضراء. العضيات ، الموجودة فقط في خلايا حقيقية النواة ، محاطة بغشاء بلازما مزدوج يشبه هيكليا تلك المحيطة بالخلية ككل (تسمى عادة غشاء الخلية).

الوحدات الوظيفية لعملية التمثيل الضوئي هي ثايلاكويد. تظهر هذه الهياكل في كل من بدائيات النوى الضوئي ، مثل البكتيريا الزرقاء (الطحالب الخضراء المزرقة) ، والنباتات. ولكن نظرًا لأن حقيقيات النوى فقط تحتوي على عضيات مرتبطة بالأغشية ، فإن الثايلاكويدات الموجودة في بدائيات النوى تتواجد بحرية في السيتوبلازم الخلوي ، تمامًا كما يفعل الحمض النووي في هذه الكائنات بسبب عدم وجود نواة في بدائيات النوى.

ما هي Thylakoids ل؟

في النباتات ، غشاء الثايلاكويد مستمر فعليًا مع غشاء البلاستيدات الخضراء نفسها. لذلك فإن الثايلاكويدات تشبه العضيات داخل العضيات. يتم ترتيبها في مداخن مستديرة ، مثل أطباق العشاء في خزانة - أطباق العشاء المجوفة ، وهذا هو. تسمى هذه المداخن جرانا، والداخلية لل thylakoids مرتبطة في شبكة أنابيب mazelike. ويسمى الفضاء بين thylakoids والغشاء البلاستيدات الخضراء الداخلية سدى.

تحتوي Thylakoids على صبغة تسمى الكلوروفيل، المسؤولة عن اللون الأخضر لمعظم النباتات في شكل ما. أكثر أهمية من تقديم العين البشرية مظهر لامع ، الكلوروفيل هو ما "يلتقط" ضوء الشمس (أو لهذه المسألة ، الضوء الاصطناعي) في البلاستيدات الخضراء ، وبالتالي ، فإن المادة التي تسمح لعملية التمثيل الضوئي أن تستمر في المقام الأول.

هناك في الواقع عدة أصباغ مختلفة تساهم في عملية التمثيل الضوئي ، مع كون الكلوروفيل A هو الأساس. بالإضافة إلى أنواع الكلوروفيل ، تستجيب العديد من الأصباغ الأخرى في الثايلاكويدات للضوء ، بما في ذلك الأنواع الأحمر والبني والأزرق. يمكن أن تقوم هذه بنقل الضوء الوارد إلى الكلوروفيل A ، أو قد تساعد في منع الخلية من التلف بسبب الضوء عن طريق خدمتها كشراك من نوع ما.

ردود الفعل الخفيفة: ضوء يصل إلى الغشاء الثايلاكويد

عندما تصل أشعة الشمس أو الطاقة الضوئية من مصدر آخر إلى غشاء الثايلاكويد بعد المرور عبر بشرة الورقة ، جدار الخلية النباتية ، طبقات الغشاء الخلوي ، طبقتين من غشاء البلاستيدات الخضراء وأخيرا الردة ، فإنها تواجه زوجًا من مجمعات متعددة البروتينات مرتبطة بشكل وثيق photosystems.

يختلف المجمع المسمى Photosystem I عن رفيقه Photosystem II لأنه يستجيب بشكل مختلف لأطوال موجات الضوء المختلفة ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي النظامان الضوئيان على نسخ مختلفة قليلاً من الكلوروفيل A. يحتوي نظام Photos Photos I على نموذج يسمى P700 ، بينما يستخدم Photosystem II نموذجًا يسمى P680. تحتوي هذه المجمعات على مجمع حصاد الضوء ومركز تفاعل. عندما يصل الضوء إلى ذلك ، فإنه يزيح الإلكترونات من الجزيئات في الكلوروفيل ، وتنتقل إلى الخطوة التالية في تفاعلات الضوء.

أذكر أن المعادلة الصافية لعملية التمثيل الضوئي تشمل كلا من CO₂ و ح₂يا كمدخلات. تمر هذه الجزيئات بحرية داخل خلايا النبات بسبب صغر حجمها ومتاحة كمواد متفاعلة.

ردود الفعل الخفيفة: النقل الإلكتروني

عندما يتم إخلاء الإلكترونات من جزيئات الكلوروفيل بالضوء الوارد ، يجب استبدالها بطريقة أو بأخرى. ويتم ذلك أساسا عن طريق تقسيم H₂يا في غاز الأكسجين (O₂) والإلكترونات الحرة. يا₂ في هذا الإعداد هو منتج نفايات (ربما يكون من الصعب على معظم البشر تصور الأكسجين المنشأ حديثًا كمنتج للنفايات ، ولكن هذه هي تقلبات الكيمياء الحيوية) ، في حين أن بعض الإلكترونات تشق طريقها إلى الكلوروفيل في شكل هيدروجين ( هيدروجين).

تشق الإلكترونات طريقها إلى "أسفل" سلسلة الجزيئات المضمّنة في الغشاء الثايلاكويد باتجاه مستقبل الإلكترون النهائي ، وهو جزيء يعرف باسم نيكوتيناميد أدينين فوسفات ثنائي النوكليوتيد (NADP)⁺ ). افهم أن "لأسفل" لا يعني هبوطًا عموديًا ، ولكن إلى أسفل بمعنى انخفاض الطاقة تدريجياً. عندما تصل الإلكترونات إلى NADP⁺تتحد هذه الجزيئات لتكوين شكل مخفض لحامل الإلكترون ، NADPH. هذا الجزيء ضروري للتفاعل المظلم اللاحق.

ردود الفعل الخفيفة: الفسفرة الضوئية

في نفس الوقت الذي يتم فيه إنشاء NADPH في النظام الموضح سابقًا ، تسمى العملية فسفتة ضوئية يستخدم الطاقة المحررة من الإلكترونات الأخرى "السقطة" في غشاء الثايلاكويد. يربط قوة الدافع البروتوني جزيئات الفوسفات غير العضويةأو P_أنا، إلى ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) لتشكيل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

هذه العملية تشبه العملية في التنفس الخلوي المعروف باسم الفسفرة المؤكسدة. في نفس الوقت يتم إنشاء ATP في ثايلاكويد لغرض تصنيع الجلوكوز في رد فعل الظلام ، تستخدم الميتوكوندريا في أماكن أخرى في الخلايا النباتية منتجات انهيار بعض هذا الجلوكوز لجعل ATP في التنفس الخلوي للنباتات الأيضية النهائية يحتاج.

رد فعل الظلام: تثبيت الكربون

عندما CO₂ يدخل خلايا نباتية ، ويخضع لسلسلة من التفاعلات ، تتم إضافته أولاً إلى جزيء مكون من خمسة كربون لإنشاء وسيط من ستة الكربون ينقسم بسرعة إلى جزيئين بثلاثة كربون. لماذا لا يصنع هذا الجزيء المكون من ستة كربون مباشرة مباشرة إلى الجلوكوز ، وأيضًا جزيء مكون من ستة كربون؟ بينما تخرج بعض هذه الجزيئات الثلاثة من الكربون من العملية وتستخدم في الواقع لتركيب الجلوكوز ، إلا أن هناك حاجة إلى جزيئات أخرى تحتوي على ثلاثة كربون للحفاظ على الدورة مستمرة ، حيث إنها مرتبطة بـ CO₂ لجعل مركب الكربون خمسة المذكورة أعلاه.

حقيقة أن الطاقة الناتجة عن الضوء يتم تسخيرها في عملية التمثيل الضوئي لدفع العمليات بشكل مستقل عن الضوء أمر منطقي نظرًا لحقيقة أن الشمس تشرق وتتحمل ، مما يضع النباتات في موقف من "تخزين" الجزيئات خلال اليوم حتى يتمكنوا من صنع طعامهم بينما الشمس تحت الأفق.

ولأغراض التسمية ، فإن دورة كالفن وردود الفعل المظلمة وتثبيت الكربون كلها تشير إلى نفس الشيء ، الذي يصنع الجلوكوز. من المهم أن ندرك أنه بدون إمدادات ثابتة من الضوء ، لا يمكن أن يحدث التمثيل الضوئي. يمكن للنباتات أن تزدهر في البيئات التي يوجد فيها الضوء دائمًا ، كما هو الحال في غرفة لا تتضاءل فيها الأضواء أبدًا. لكن العكس ليس صحيحًا: فبدون الضوء ، يكون التمثيل الضوئي مستحيلًا.