المحتوى
- ما هو التمثيل الضوئي؟
- معادلة التمثيل الضوئي
- التمثيل الضوئي مقابل التنفس الخلوي
- هيكل النباتات
- هيكل الخلية النباتية
- البلاستيدات الخضراء
- ردود الفعل الخفيفة
- ردود الفعل المظلمة
- أدخل روبيسكو
يمكن وصف عملية التمثيل الضوئي بأنها أهم رد فعل في علم الأحياء. افحص أي شبكة طعام أو نظام لتدفق الطاقة في العالم ، وستجد أنه يعتمد في نهاية المطاف على الطاقة من الشمس للمواد التي تحافظ على الكائنات الحية فيها. تعتمد الحيوانات على كل من العناصر المغذية الكربونية (الكربوهيدرات) والأكسجين الذي تولده عملية التمثيل الضوئي ، لأنه حتى الحيوانات التي تحصل على كل غذائها عن طريق الإطعام على حيوانات أخرى تنتهى من تناول الكائنات الحية التي تعيش في الغالب أو بشكل حصري على النباتات.
من عملية التمثيل الضوئي ، تتدفق جميع العمليات الأخرى لتبادل الطاقة في الطبيعة. مثل تحلل السكر وتفاعلات التنفس الخلوي ، فإن عملية التمثيل الضوئي لديها مجموعة من الخطوات والإنزيمات والجوانب الفريدة التي يجب مراعاتها ، وفهم الأدوار التي تلعبها الحفازات المحددة في عملية التمثيل الضوئي في ما يرقى إلى تحويل الضوء والغذاء إلى الغذاء أمر بالغ الأهمية لإتقان الكيمياء الحيوية الأساسية.
ما هو التمثيل الضوئي؟
كان لعملية التمثيل الضوئي شيء يتعلق بإنتاج آخر شيء أكلته ، مهما كان ذلك. إذا كانت قائمة على أساس المصنع ، تكون المطالبة واضحة ومباشرة. إذا كان همبرغر ، فمن المؤكد أن اللحوم جاءت من حيوان كان يعيش بالكامل على النباتات تقريبًا. إذا نظرنا إلى الأمر بطريقة مختلفة بعض الشيء ، فإذا أغلقت الشمس نفسها اليوم دون أن تتسبب في تهدئة العالم ، مما قد يؤدي إلى ندرة النباتات ، فإن إمدادات الغذاء في العالم ستختفي قريبًا ؛ النباتات ، التي من الواضح أنها ليست حيوانات مفترسة ، هي في أسفل أي سلسلة غذائية.
ينقسم التمثيل الضوئي تقليديا إلى ردود الفعل الخفيفة وردود الفعل المظلمة. كل من ردود الفعل في التمثيل الضوئي تلعب أدوارا حاسمة. تعتمد الأولى على وجود ضوء الشمس أو غيرها من الطاقة الضوئية ، في حين أن الأخيرة لا تعتمد إلا على منتجات رد فعل الضوء ليكون الركيزة للعمل معها. في تفاعلات الضوء ، تصنع جزيئات الطاقة التي يحتاجها النبات لتجميع الكربوهيدرات ، بينما يحدث تخليق الكربوهيدرات نفسه في التفاعلات المظلمة. هذا مشابه في بعض النواحي للتنفس الهوائي ، حيث تولد دورة كريبس ، وإن لم تكن مصدرا رئيسيا مباشرا للاعبي التنس المحترفين (أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، "عملة الطاقة" لجميع الخلايا) ، قدرا كبيرا من الجزيئات الوسيطة التي تدفع إلى تكوين قدرا كبيرا من ATP في ردود الفعل سلسلة النقل الإلكترونية اللاحقة.
العنصر الحاسم في النباتات التي تسمح لهم بإجراء عملية التمثيل الضوئي هو الكلوروفيل، وهي مادة موجودة في هياكل فريدة تسمى البلاستيدات الخضراء.
معادلة التمثيل الضوئي
رد فعل صافي التمثيل الضوئي هو في الواقع بسيط جدا. إنها تنص على أن يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء ، في وجود الطاقة الضوئية ، إلى الجلوكوز والأكسجين أثناء العملية.
6 CO2 + ضوء + 6 ساعات2يا → جيم6هيدروجين12O6 + 6 يا2
رد الفعل العام هو مجموع ردود الفعل الخفيفة و ال ردود الفعل المظلمة التمثيل الضوئي:
ردود الفعل الخفيفة: 12 ساعة2O + الضوء → O2 + 24 ساعة+ + 24 هـ−
ردود الفعل الظلام: 6CO2 + 24 ساعة+ + 24 هـ− → ج6هيدروجين12O6 + 6 ساعات2O
باختصار ، تستخدم تفاعلات الضوء أشعة الشمس لتخويف الإلكترونات التي يوجهها المصنع بعد ذلك لإنتاج الطعام (الجلوكوز). لقد تمت دراسة كيفية حدوث ذلك في الممارسة العملية وشهدت على مليارات السنين من التطور البيولوجي.
التمثيل الضوئي مقابل التنفس الخلوي
هناك اعتقاد خاطئ شائع بين الناس الذين يدرسون علوم الحياة هو أن التمثيل الضوئي هو مجرد التنفس الخلوي في الاتجاه المعاكس. هذا أمر مفهوم ، نظرًا لأن التفاعل الصافي لعملية التمثيل الضوئي يشبه تمامًا التنفس الخلوي - بدءًا من انحلال السكر وينتهي بالعمليات الهوائية (دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون) في الميتوكوندريا - يتم تشغيله في الاتجاه المعاكس تمامًا.
تختلف التفاعلات التي تحول ثاني أكسيد الكربون إلى الجلوكوز في عملية التمثيل الضوئي اختلافًا كبيرًا عن تلك التي يتم استخدامها لتخفيض نسبة الجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون في التنفس الخلوي. النباتات ، ضع في اعتبارك ، أيضا الاستفادة من التنفس الخلوي. البلاستيدات الخضراء ليست "الميتوكوندريا من النباتات". النباتات لديها الميتوكوندريا ، أيضا.
فكر في التمثيل الضوئي كشيء يحدث بشكل رئيسي لأن النباتات لا تملك أفواهًا ، ومع ذلك لا تزال تعتمد على حرق الجلوكوز كمواد مغذية لصنع وقودها الخاص. إذا لم تستطع النباتات استيعاب الجلوكوز حتى الآن ما زالت تحتاج إلى إمدادات ثابتة منه ، فعليها فعل ما يبدو مستحيلًا وجعله بنفسها. كيف تصنع النباتات الطعام؟ يستخدمون الضوء الخارجي لدفع محطات توليد الطاقة الصغيرة بداخلها للقيام بذلك. يعتمد قدرتها على القيام بذلك إلى حد كبير على كيفية تنظيمها بالفعل.
هيكل النباتات
الهياكل التي لديها الكثير من مساحة السطح فيما يتعلق بكتلتها في وضع جيد لالتقاط قدر كبير من ضوء الشمس يمر طريقهم. هذا هو السبب في أن النباتات لها أوراق. حقيقة أن الأوراق تميل إلى أن تكون الجزء الأكثر خضرة من النباتات هي نتيجة لكثافة الكلوروفيل في الأوراق ، لأن هذا هو المكان الذي تتم فيه عملية التمثيل الضوئي.
تطورت الأوراق في مسامها تسمى stomata (المفرد: stoma). هذه الفتحات هي الوسيلة التي يمكن بها للأوراق التحكم في دخول وخروج CO2، وهو أمر ضروري لعملية التمثيل الضوئي ، و O2، وهو منتج النفايات العملية. (من غير المنطقي التفكير في الأكسجين كنفايات ، ولكن في هذا السياق ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، هذا ما هو عليه).
تساعد هذه الثغور أيضًا الورقة على تنظيم محتواها المائي. عندما تكون المياه وفيرة ، تكون الأوراق أكثر صلابة و "منتفخة" وتميل الثغور للبقاء مغلقة. على العكس ، عندما تكون المياه شحيحة ، تفتح الثغرات في محاولة لمساعدة الورقة على تغذية نفسها.
هيكل الخلية النباتية
الخلايا النباتية هي خلايا حقيقية النواة ، وهذا يعني أن لديها كل من الهياكل الأربعة المشتركة لجميع الخلايا (الحمض النووي ، غشاء الخلية ، السيتوبلازم والريبوسومات) وعدد من العضيات المتخصصة. ومع ذلك ، فإن الخلايا النباتية ، على عكس الخلايا الحيوانية وغيرها من خلايا حقيقية النواة ، لها جدران خلايا ، مثل البكتيريا تصنع باستخدام مواد كيميائية مختلفة.
تحتوي الخلايا النباتية أيضًا على نوى ، وتشمل عضياتها الميتوكوندريا ، والشبكة الإندوبلازمية ، وجسمات جولجي ، والهيكل الخلوي ، والفراغات. لكن الفرق الحاسم بين الخلايا النباتية والخلايا حقيقية النواة هو أن الخلايا النباتية تحتوي البلاستيدات الخضراء.
البلاستيدات الخضراء
داخل الخلايا النباتية هي عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء. مثل الميتوكوندريا ، يُعتقد أن هذه الكائنات قد أُدمجت في الكائنات حقيقية النواة مبكّرة نسبيًا في تطور حقيقيات النوى ، مع الكيان المُقدّر أن يصبح بلاستيدات خضراء بعد ذلك موجودًا كبدائيات أولية قائمة بذاتها في عملية التمثيل الضوئي.
البلاستيدات الخضراء ، مثل كل العضيات ، محاطة بغشاء بلازما مزدوج. يوجد داخل هذا الغشاء سدى ، والذي يشبه نوعا من السيتوبلازم من البلاستيدات الخضراء. أيضا داخل البلاستيدات الخضراء هي الأجسام التي تسمى ثايلاكويد ، والتي يتم ترتيبها مثل أكوام من العملات المعدنية ومحاطة بغشاء خاص بهم.
يعتبر الكلوروفيل صبغة "التمثيل الضوئي" ، ولكن هناك عدة أنواع مختلفة من الكلوروفيل ، وتشارك الصبغة الأخرى غير الكلوروفيل في عملية التمثيل الضوئي أيضًا. الصباغ الرئيسي المستخدم في عملية التمثيل الضوئي هو الكلوروفيل أ. بعض أصباغ غير الكلوروفيل التي تشارك في عمليات التمثيل الضوئي تكون حمراء أو بنية أو زرقاء اللون.
ردود الفعل الخفيفة
تستخدم التفاعلات الضوئية لعملية التمثيل الضوئي طاقة ضوئية لتحل محل ذرات الهيدروجين من جزيئات الماء ، مع ذرات الهيدروجين هذه ، التي يتم تشغيلها بواسطة تدفق الإلكترونات التي تم تحريرها في نهاية المطاف بواسطة الضوء الوارد ، والتي يتم استخدامها لتجميع NADPH و ATP ، وهي ضرورية لتفاعلات الظلام اللاحقة.
تحدث تفاعلات الضوء على غشاء الثايلاكويد ، داخل البلاستيدات الخضراء ، داخل الخلية النباتية. وهي تبدأ عندما يضرب الضوء مجمع بروتين كلوروفيل يسمى النظام الضوئي الثاني (PSII). هذا الإنزيم هو ما يحرر ذرات الهيدروجين من جزيئات الماء. ثم يصبح الأكسجين الموجود في الماء مجانيًا ، ويتم ربط الإلكترونات المحررة في العملية بجزيء يسمى البلاستوكينول ، مما يحولها إلى بلاستوكينون. ينقل هذا الجزيء بدوره الإلكترونات إلى مركب إنزيم يسمى السيتوكروم b6f. يأخذ هذا ctyb6f الإلكترونات من البلاستوكينون وينقلها إلى البلاستوسيانين.
عند هذه النقطة، النظام الضوئي الأول (PSI) يحصل على الوظيفة. يأخذ هذا الإنزيم الإلكترونات من البلاستوسيانين ويربطها بمركب يحتوي على الحديد يسمى فيريدوكسين. أخيرًا ، إنزيم يدعى ferredoxin-NADP+اختزال (FNR) لجعل NADPH من NADP+. لا تحتاج إلى حفظ جميع هذه المركبات ، ولكن من المهم أن يكون لديك شعور بالتسلسل "المتسارع" لردود الفعل المعنية.
أيضًا ، عندما يقوم PSII بتحرير الهيدروجين من الماء إلى طاقة التفاعلات المذكورة أعلاه ، يميل بعض هذا الهيدروجين إلى ترك الثايلاكويد إلى السدى ، متدرج تركيزه. يستفيد غشاء الثايلاكويد من هذا التدفق الطبيعي الخارجي عن طريق استخدامه لتشغيل مضخة سينسيز ATP في الغشاء ، الذي يربط جزيئات الفوسفات بـ ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) لصنع ATP.
ردود الفعل المظلمة
ردود الفعل المظلمة لعملية التمثيل الضوئي تحمل اسمًا لأنها لا تعتمد على الضوء. ومع ذلك ، يمكن أن تحدث عند وجود الضوء ، لذلك اسم أكثر دقة ، إذا كان أكثر تعقيدًا "ردود فعل مستقلة عن الضوء"لتوضيح الأمور بشكل أكبر ، فإن ردود الفعل المظلمة معروفة أيضًا باسم دورة كالفين.
تخيل أنه ، عند استنشاق الهواء في رئتيك ، فإن ثاني أكسيد الكربون في ذلك الهواء يمكن أن يشق طريقه إلى خلاياك ، والذي سيستخدمه بعد ذلك لصنع نفس المادة التي تنتج عن تحطيم جسمك للطعام الذي تتناوله. في الواقع ، بسبب هذا ، لن تضطر إلى تناول الطعام على الإطلاق. هذا هو في الأساس حياة النبات ، والذي يستخدم CO2 إنه يجمع من البيئة (التي توجد إلى حد كبير نتيجة لعمليات التمثيل الغذائي لسمات حقيقية النواة) لصنع الجلوكوز ، الذي يقوم بعد ذلك إما بتخزينه أو حرقه لاحتياجاته الخاصة.
لقد رأيت بالفعل أن عملية التمثيل الضوئي تبدأ عن طريق ضرب ذرات الهيدروجين الخالية من الماء واستخدام الطاقة من تلك الذرات لإنتاج بعض NADPH وبعض ATP. لكن حتى الآن ، لم يرد ذكر للمدخلات الأخرى في عملية التمثيل الضوئي ، ثاني أكسيد الكربون. الآن سترى لماذا تم حصاد كل من NADPH و ATP في المقام الأول.
أدخل روبيسكو
في الخطوة الأولى من التفاعلات المظلمة ، يتم إرفاق ثاني أكسيد الكربون بمشتق سكر مكون من خمسة كربون يسمى الريبولوز 1،5-بيسفوسفات. يتم تحفيز هذا التفاعل من خلال إنزيم ريبولوز -1،5- فوسفات الكربوكسيل / الأكسجيناز ، المعروف أكثر بكثير باسم Rubisco. يُعتقد أن هذا الإنزيم هو البروتين الأكثر وفرة في العالم ، نظرًا لأنه موجود في جميع النباتات التي تخضع لعملية التمثيل الضوئي.
هذا الوسيط المكون من ستة كربون غير مستقر وينقسم إلى زوج من جزيئات ثلاثية الكربون تسمى الفسفوغليسرات. ثم يتم تفسفر هذه بواسطة انزيم كيناز لتشكيل 1،3 - بيسفوسفليسيريات. ثم يتم تحويل هذا الجزيء إلى فوسفات glyceraldehyde-3 (G3P) ، مما يحرر جزيئات الفوسفات ويستهلك NAPDH المشتق من تفاعلات الضوء.
يمكن بعد ذلك وضع G3P الذي تم إنشاؤه في هذه التفاعلات في عدد من المسارات المختلفة ، مما يؤدي إلى تكوين الجلوكوز أو الأحماض الأمينية أو الدهون ، حسب الاحتياجات المحددة للخلايا النباتية. تقوم النباتات أيضًا بتركيب بوليمرات الجلوكوز التي تساهم في النظام الغذائي البشري بالنشا والألياف.