هل تساءلت يومًا عن عدد الكائنات الحية الموجودة على هذا الكوكب ؟! وبعد كل شيء ، يحتاجون جميعًا إلى استنشاق الأكسجين لتوليد الطاقة وإخراج ثاني أكسيد الكربون. ثاني أكسيد الكربون هو السبب الرئيسي لظاهرة مثل انسداد الغرفة. يحدث عندما يكون هناك الكثير من الناس ، ولا يتم تهوية الغرفة لفترة طويلة. بالإضافة إلى ذلك ، تملأ المنشآت الصناعية والسيارات الخاصة ووسائل النقل العام الهواء بالمواد السامة.
في ضوء ما سبق ، يطرح سؤال منطقي تمامًا: كيف لم نختنق إذن ، إذا كانت الحياة كلها مصدرًا لثاني أكسيد الكربون السام؟ منقذ جميع الكائنات الحية في هذه الحالة هو التمثيل الضوئي. ما هي هذه العملية ولماذا هي ضرورية؟
نتيجتها تعديل توازن ثاني أكسيد الكربون وتشبع الهواء بالأكسجين. مثل هذه العملية معروفة فقط لممثلي عالم النباتات ، أي النباتات ، لأنها تحدث فقط في خلاياهم.
التمثيل الضوئي بحد ذاته إجراء معقد للغاية ، يعتمد على ظروف معينة ويحدث في عدة حالاتالمراحل
تعريف المفهوم
وفقًا للتعريف العلمي ، يتم تحويل المواد العضوية إلى مواد عضوية أثناء عملية التمثيل الضوئي على المستوى الخلوي في الكائنات ذاتية التغذية بسبب التعرض لأشعة الشمس.
لتوضيح الأمر بشكل أكثر بساطة ، فإن التمثيل الضوئي هو العملية التي يحدث بها ما يلي:
- النبات مشبع بالرطوبة. يمكن أن يكون مصدر الرطوبة ماء من الأرض أو هواء استوائي رطب.
- الكلوروفيل (مادة خاصة موجودة في النباتات) يتفاعل مع الطاقة الشمسية.
- تكوين الغذاء الضروري لممثلي النباتات ، والتي لا يستطيعون الحصول عليها بمفردهم بطريقة غير متجانسة ، لكنهم هم أنفسهم منتجوها. بعبارة أخرى ، تأكل النباتات ما تنتجه. هذه نتيجة التمثيل الضوئي.
المرحلة الأولى
عمليًا يحتوي كل نبات على مادة خضراء ، بفضله يمكنه امتصاص الضوء. هذه المادة ليست أكثر من الكلوروفيل. موقعه هو البلاستيدات الخضراء. لكن توجد البلاستيدات الخضراء في الجزء الجذعي من النبات وثماره. لكن التمثيل الضوئي للأوراق شائع بشكل خاص في الطبيعة. نظرًا لأن الأخير بسيط جدًا في هيكله وله سطح كبير نسبيًا ، مما يعني أن كمية الطاقة المطلوبة لبدء عملية الإنقاذ ستكون أكبر بكثير.
عندما يمتص الكلوروفيل الضوء ، يكون الأخير في حالة من الإثارةينقل رسائل الطاقة إلى الجزيئات العضوية الأخرى للنبات. يذهب أكبر قدر من هذه الطاقة إلى المشاركين في عملية التمثيل الضوئي.
المرحلة الثانية
تشكيل التمثيل الضوئي في المرحلة الثانية لا يتطلب المشاركة الإلزامية للضوء. يتكون من تكوين روابط كيميائية باستخدام ثاني أكسيد الكربون السام المتكون من الكتل الهوائية والماء. هناك أيضًا توليفة من العديد من المواد التي تضمن النشاط الحيوي لممثلي النباتات. هذه هي النشا والجلوكوز.
في النباتات ، تعمل هذه العناصر العضوية كمصدر للتغذية لأجزاء فردية من النبات ، مع ضمان المسار الطبيعي لعمليات الحياة. يتم الحصول على هذه المواد أيضًا من قبل ممثلي الحيوانات التي تأكل النباتات من أجل الغذاء. يتشبع جسم الإنسان بهذه المواد من خلال الطعام الذي يدخله النظام الغذائي اليومي.
ماذا؟ أين؟ متى؟
لكي تصبح المواد العضوية عضوية ، من الضروري توفير الظروف المناسبة لعملية التمثيل الضوئي. للعملية قيد النظر ، أولاً وقبل كل شيء ، هناك حاجة إلى الضوء. نحن نتحدث عن ضوء الشمس الاصطناعي. في الطبيعة ، يتسم نشاط النبات عادة بكثافة في فصلي الربيع والصيف ، أي عندما تكون هناك حاجة إلى كمية كبيرة من الطاقة الشمسية. ما لا يمكن قوله عن فصل الخريف ، عندما يكون الضوء أقل وأقل ، يصبح اليوم أقصر. نتيجة لذلك ، تتحول أوراق الشجر إلى اللون الأصفر ثم تسقط تمامًا. ولكن بمجرد أن تشرق أشعة الشمس الربيعية الأولى ، سوف يرتفع العشب الأخضر ، وسوف يستأنفون أنشطتهم على الفور.سيبدأ الكلوروفيل ، والإنتاج النشط للأكسجين والمواد المغذية الحيوية الأخرى.
تشمل شروط التمثيل الضوئي أكثر من مجرد ضوء. يجب أن تكون الرطوبة كافية أيضًا. بعد كل شيء ، يمتص النبات الرطوبة أولاً ، ثم يبدأ التفاعل بمشاركة الطاقة الشمسية. الغذاء النباتي هو نتيجة هذه العملية
يحدث التمثيل الضوئي فقط في وجود المادة الخضراء. ما هي الكلوروفيل ، قلنا بالفعل أعلاه. تعمل كنوع من الموصل بين الضوء أو الطاقة الشمسية والنبات نفسه ، مما يضمن المسار الصحيح لحياتهم ونشاطهم. المواد الخضراء لها القدرة على امتصاص الكثير من أشعة الشمس.
يلعب الأكسجين أيضًا دورًا مهمًا. لكي تنجح عملية التمثيل الضوئي ، تحتاج النباتات إلى الكثير منها ، لأنها تحتوي فقط على حمض الكربونيك 0.03٪. لذلك ، من 20000 م3من الهواء ، يمكنك الحصول على 6 م3من الحمض. المادة الأخيرة هي المصدر الرئيسي للجلوكوز ، والتي بدورها مادة ضرورية للحياة.
هناك مرحلتان من التمثيل الضوئي. الأول يسمى نور والثاني مظلم
ما آلية تدفق الضوء
المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي لها اسم آخر - الكيمياء الضوئية. المشاركون الرئيسيون في هذه المرحلة هم:
- طاقة شمسية
- مجموعة متنوعة من الأصباغ.
مع المكون الأول ، كل شيء واضح ، إنه ضوء الشمس. لكنهذا ما هي الأصباغ ، لا يعلم الجميع. هم أخضر ، أصفر ، أحمر أو أزرق. تنتمي الكلوروفيل من المجموعتين "A" و "B" إلى اللون الأخضر ، بينما تنتمي phycobilins إلى الأصفر والأحمر / الأزرق على التوالي. يظهر النشاط الكيميائي الضوئي بين المشاركين في هذه المرحلة من العملية فقط بواسطة الكلوروفيل "أ". يلعب الباقي دورًا تكميليًا ، يتمثل جوهره في جمع الكميات الخفيفة ونقلها إلى المركز الكيميائي الضوئي.
نظرًا لأن الكلوروفيل يتمتع بالقدرة على امتصاص الطاقة الشمسية بشكل فعال عند طول موجي معين ، فقد تم تحديد الأنظمة الكيميائية الضوئية التالية:
- مركز كيميائي ضوئي 1 (مواد خضراء من المجموعة "أ") - صبغة 700 متضمنة في التركيبة ، تمتص أشعة الضوء ، التي يبلغ طولها حوالي 700 نانومتر. يلعب هذا الصباغ دورًا أساسيًا في إنتاج منتجات المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي.
- مركز كيميائي ضوئي 2 (مواد خضراء من المجموعة "ب") - التركيب يشمل الصباغ 680 الذي يمتص أشعة الضوء التي يبلغ طولها 680 نانومتر. له دور ثانوي يتمثل في تجديد الإلكترونات التي فقدها المركز الكيميائي الضوئي 1. ويتحقق ذلك بسبب التحلل المائي للسائل.
بالنسبة لـ 350-400 جزيء صبغ يركّز تدفقات الضوء في نظامي الصور 1 و 2 ، يوجد جزيء واحد فقط من الصباغ ، وهو نشط كيميائيًا ضوئيًا - الكلوروفيل من المجموعة "أ".
ما الذي يحدث؟
1. تؤثر الطاقة الضوئية التي يمتصها النبات على الصبغة 700 الموجودة فيه ، والتي تتغير من الحالة الطبيعية إلى الحالة المثارة. يفقد الصباغالإلكترون ، مما أدى إلى تكوين ما يسمى ثقب الإلكترون. علاوة على ذلك ، يمكن لجزيء الصباغ الذي فقد إلكترونًا أن يعمل كمقبل له ، أي الجانب الذي يستقبل الإلكترون ، ويعود إلى شكله.
2. عملية التحلل السائل في المركز الكيميائي الضوئي للصبغة الممتصة للضوء 680 من نظام ضوئي 2. أثناء تحلل الماء ، تتشكل الإلكترونات ، والتي يتم قبولها مبدئيًا بواسطة مادة مثل السيتوكروم C550 ويُشار إليها بالحرف Q. ثم ، من السيتوكروم ، تدخل الإلكترونات السلسلة الحاملة ويتم نقلها إلى المركز الكيميائي الضوئي 1 لتجديد ثقب الإلكترون ، والذي كان نتيجة لاختراق الكميات الخفيفة وعملية تقليل الصباغ 700.
هناك حالات يستعيد فيها هذا الجزيء إلكترونًا مطابقًا للإلكترون السابق. سيؤدي ذلك إلى إطلاق طاقة ضوئية على شكل حرارة. لكن دائمًا تقريبًا ، يتحد الإلكترون ذو الشحنة السالبة مع بروتينات الحديد والكبريت الخاصة وينتقل على طول إحدى السلاسل إلى الصباغ 700 ، أو يدخل في سلسلة حاملة أخرى ويتحد مع متقبل دائم.
في المتغير الأول ، يوجد نقل إلكترون دوري مغلق ، في الثاني - غير دوري.
يتم تحفيز العمليتين بنفس سلسلة ناقلات الإلكترون في المرحلة الأولى من عملية التمثيل الضوئي. ولكن تجدر الإشارة إلى أنه أثناء عملية الفسفرة الضوئية للنوع الدوري ، تكون نقطة النقل الأولية وفي نفس الوقت هي الكلوروفيل ، بينما يعني النقل غير الدوري انتقال المادة الخضراء من المجموعة "ب" إلىالكلوروفيل "أ".
ميزات النقل الدوري
الفسفرة الحلقية تسمى أيضًا التمثيل الضوئي. نتيجة لهذه العملية ، تتشكل جزيئات ATP. يعتمد هذا النقل على عودة الإلكترونات في حالة الإثارة إلى الصباغ 700 عبر عدة مراحل متتالية ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الطاقة ، والتي تشارك في عمل نظام إنزيم الفسفرة لغرض زيادة التراكم في فوسفات ATP سندات. وهذا يعني أن الطاقة لا تتبدد.
الفسفرة الحلقية هي التفاعل الأساسي لعملية التمثيل الضوئي ، والتي تعتمد على تقنية توليد الطاقة الكيميائية على الأسطح الغشائية لنباتات البلاستيدات الخضراء باستخدام طاقة ضوء الشمس.
بدون الفسفرة الضوئية ، تكون تفاعلات الاستيعاب في المرحلة المظلمة من التمثيل الضوئي مستحيلة.
الفروق الدقيقة في النقل من النوع غير الدوري
تتكون العملية من استعادة NADP + وتشكيل NADPH. تعتمد الآلية على نقل الإلكترون إلى الفيروكسين ، تفاعل الاختزال والانتقال اللاحق إلى NADP + مع مزيد من التخفيض إلى NADPH.
نتيجة لذلك ، تتجدد الإلكترونات التي فقدت صبغة 700 بفضل إلكترونات الماء ، التي تتحلل تحت أشعة الضوء في نظام التصوير 2.
المسار غير الدوري للإلكترونات ، والذي يشير تدفقه أيضًا إلى التمثيل الضوئي للضوء ، يتم تنفيذه من خلال تفاعل كلا النظامين الضوئي مع بعضهما البعض ، ويربط سلاسل نقل الإلكترون الخاصة بهم. مضيئةالطاقة توجه تدفق الإلكترونات إلى الوراء. عند النقل من المركز الكيميائي الضوئي 1 إلى المركز 2 ، تفقد الإلكترونات جزءًا من طاقتها بسبب التراكم كإمكانات بروتون على سطح غشاء الثايلاكتويدات.
في المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي ، تكون عملية إنشاء جهد من نوع البروتون في سلسلة نقل الإلكترون واستغلاله لتكوين ATP في البلاستيدات الخضراء متطابقة تمامًا تقريبًا مع نفس العملية في الميتوكوندريا. لكن الميزات لا تزال موجودة. Thylactoids في هذه الحالة هي الميتوكوندريا قلبت من الداخل إلى الخارج. هذا هو السبب الرئيسي لتحرك الإلكترونات والبروتونات عبر الغشاء في الاتجاه المعاكس بالنسبة لتدفق النقل في غشاء الميتوكوندريا. يتم نقل الإلكترونات إلى الخارج ، بينما تتراكم البروتونات في داخل مصفوفة النمور. هذا الأخير لا يقبل إلا شحنة موجبة ، والغشاء الخارجي للثايلاكتويد سالب. ويترتب على ذلك أن مسار التدرج اللوني من نوع البروتون هو عكس مساره في الميتوكوندريا.
يمكن تسمية الميزة التالية بمستوى pH كبير في إمكانات البروتونات.
الميزة الثالثة هي وجود موقعين فقط من مواقع الاقتران في سلسلة Thylactoid ، ونتيجة لذلك ، فإن نسبة جزيء ATP إلى البروتونات هي 1: 3.
الخلاصة
في المرحلة الأولى ، التمثيل الضوئي هو تفاعل الطاقة الضوئية (الاصطناعية وغير الاصطناعية) مع النبات. المواد الخضراء تتفاعل مع الأشعة - الكلوروفيل ، ومعظمها يوجد في الأوراق.
تشكيل ATP و NADPH هو نتيجة لمثل هذا التفاعل. هذه المنتجات ضرورية لحدوث تفاعلات مظلمة. لذلك فالمرحلة الضوئية عملية اجبارية وبدونها لن تحدث المرحلة الثانية - المرحلة المظلمة.
المرحلة المظلمة: الجوهر والميزات
التمثيل الضوئي الداكن وتفاعلاته هي عملية تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد ذات أصل عضوي مع إنتاج الكربوهيدرات. يحدث تنفيذ مثل هذه التفاعلات في سدى البلاستيدات الخضراء ومنتجات المرحلة الأولى من التمثيل الضوئي - يلعب الضوء دورًا نشطًا فيها.
تعتمد آلية المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي على عملية امتصاص ثاني أكسيد الكربون (تسمى أيضًا الكربوكسيل الكيميائي الضوئي ، دورة كالفين) ، والتي تتميز بالدوران. تتكون من ثلاث مراحل:
- الكربوكسيل - إضافة ثاني أكسيد الكربون2.
- مرحلة التعافي.
- مرحلة تجديد ريبولوز ثنائي الفوسفات.
Ribulophosphate ، سكر به خمس ذرات كربون ، فسفرته بواسطة ATP ، مما ينتج عنه ثنائي فوسفات الريبولوز ، والذي يتحول إلى كربوكسيل عن طريق الدمج مع منتج CO2مع ستة ذرات كربون ، والتي على الفور تتحلل عند التفاعل مع جزيء الماء ، مما يؤدي إلى تكوين جزيئين جزيئيين من حمض الفوسفوجليسيريك. ثم يخضع هذا الحمض لدورة من التخفيض الكامل في تنفيذ التفاعل الأنزيمي ، والذي يتطلب وجود ATP و NADP لتكوين سكر بثلاثة ذرات كربون - سكر ثلاثي الكربون أو ثلاثي أو ألدهيدفسفوجليسيرول. عندما يتكثف اثنان من هذه الثلاثيات ، يتم الحصول على جزيء سداسي ، والذي يمكن أن يصبح جزءًا لا يتجزأ من جزيء النشا ويتم تصحيحه في الاحتياطي.
تنتهي هذه المرحلة بامتصاص جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التمثيل الضوئي2واستخدام ثلاثة جزيئات ATP وأربع ذرات H. من دورة فوسفات البنتوز ، يتم تجديد فوسفات الريبولوز الناتج ، والذي يمكن أن يتحد مع جزيء آخر من حمض الكربونيك.
لا يمكن تسمية تفاعلات الكربوكسيل والاستعادة والتجديد بأنها محددة حصريًا للخلية التي يحدث فيها التمثيل الضوئي. لا يمكنك تحديد مسار العمليات "المتجانس" أيضًا ، نظرًا لأن الاختلاف لا يزال موجودًا - أثناء عملية الاسترداد ، يتم استخدام NADPH ، وليس أكثر منH.
يتم تحفيز إضافة ثاني أكسيد الكربون2بواسطة ثنائي فوسفات الريبولوز بواسطة كربوكسيلاز ثنائي فوسفات الريبولوز. منتج التفاعل هو 3-فوسفوجليسيرات ، والذي يتم تقليله بواسطة NADPH2 و ATP إلى glyceraldehyde-3-phosphate. يتم تحفيز عملية الاختزال بواسطة نازعة هيدروجين الغليسيرالديهيد -3 فوسفات. يتم تحويل الأخير بسهولة إلى فوسفات ثنائي هيدروكسي أسيتون. يتكون ثنائي فوسفات الفركتوز. تشارك بعض جزيئاته في عملية تجديد ريبولوز ثنائي فوسفات ، مما يؤدي إلى إغلاق الدورة ، ويستخدم الجزء الثاني لإنشاء احتياطيات من الكربوهيدرات في خلايا التمثيل الضوئي ، أي يحدث التمثيل الضوئي للكربوهيدرات.
الطاقة الضوئية ضرورية من أجل الفسفرة وتوليف المواد العضويةالأصل ، وطاقة أكسدة المواد العضوية ضرورية للفسفرة المؤكسدة. هذا هو السبب في أن الغطاء النباتي يوفر الحياة للحيوانات والكائنات الأخرى غير المتجانسة.
يحدث التمثيل الضوئي في خلية نباتية بهذه الطريقة. منتجها عبارة عن كربوهيدرات ضرورية لإنشاء هياكل كربونية للعديد من المواد لممثلي عالم النباتات ، والتي هي من أصل عضوي.
يتم استيعاب مواد من النوع العضوي النيتروجين في الكائنات الحية الضوئية بسبب تقليل النترات غير العضوية ، والكبريت - بسبب اختزال الكبريتات إلى مجموعات السلفهيدريل من الأحماض الأمينية. يوفر تكوين البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات والعوامل المساعدة وهي التمثيل الضوئي. لقد تم بالفعل التأكيد على ما هي "مجموعة متنوعة" من المواد الحيوية للنباتات ، ولكن لم يتم ذكر أي كلمة واحدة عن منتجات التوليف الثانوي ، وهي مواد طبية قيمة (الفلافونويد ، والقلويدات ، والتربينات ، والبوليفينول ، والمنشطات ، والأحماض العضوية وغيرها.). لذلك ، بدون مبالغة ، يمكننا القول أن التمثيل الضوئي هو مفتاح حياة النباتات والحيوانات والبشر.
