أهمية مراحل الضوء والظلام لعملية التمثيل الضوئي. المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي

كيف يتم تحويل طاقة ضوء الشمس في مراحل الضوء والظلام من عملية التمثيل الضوئي إلى طاقة الروابط الكيميائية للجلوكوز؟ اشرح الجواب.

إجابه

في مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة الإلكترونات المثارة ، ثم يتم تحويل طاقة الإلكترونات المثارة إلى طاقة ATP و NADP-H2. في المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل طاقة ATP و NADP-H2 إلى طاقة روابط الجلوكوز الكيميائية.

ماذا يحدث خلال مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي؟

إجابه

تسير إلكترونات الكلوروفيل ، المتحمسة بواسطة طاقة الضوء ، على طول سلاسل نقل الإلكترون ، ويتم تخزين طاقتها في ATP و NADP-H2. يحدث التحلل الضوئي للماء ، ويتم إطلاق الأكسجين.

ما هي العمليات الرئيسية التي تحدث خلال المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي؟

إجابه

من ثاني أكسيد الكربون الذي يتم الحصول عليه من الغلاف الجوي والهيدروجين المتحصل عليه في طور الضوء ، يتكون الجلوكوز بسبب طاقة ATP التي يتم الحصول عليها في المرحلة الضوئية.

ما هي وظيفة الكلوروفيل في الخلية النباتية؟

إجابه

يشارك الكلوروفيل في عملية التمثيل الضوئي: في المرحلة الضوئية ، يمتص الكلوروفيل الضوء ، ويتلقى إلكترون الكلوروفيل طاقة ضوئية ، وينقطع ويمر على طول سلسلة نقل الإلكترون.

ما الدور الذي تلعبه إلكترونات الكلوروفيل في عملية التمثيل الضوئي؟

إجابه

تمر إلكترونات الكلوروفيل ، التي تثيرها أشعة الشمس ، عبر سلاسل نقل الإلكترون وتتخلى عن طاقتها لتكوين ATP و NADP-H2.

في أي مرحلة من مراحل البناء الضوئي يتم إنتاج الأكسجين الحر؟

إجابه

في مرحلة الضوء ، أثناء التحلل الضوئي للماء.

خلال أي مرحلة من مراحل البناء الضوئي يحدث تخليق ATP؟

إجابه

مرحلة الضوء.

ما هو مصدر الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي؟

إجابه

الماء (يتم إطلاق الأكسجين أثناء التحلل الضوئي للماء).

يعتمد معدل التمثيل الضوئي على عوامل محددة (مقيدة) ، من بينها الضوء ، وتركيز ثاني أكسيد الكربون ، ودرجة الحرارة. لماذا هذه العوامل تحد من تفاعلات التمثيل الضوئي؟

إجابه

الضوء ضروري لإثارة الكلوروفيل ، فهو يوفر الطاقة لعملية التمثيل الضوئي. هناك حاجة لثاني أكسيد الكربون في المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي ؛ حيث يتم تصنيع الجلوكوز منه. يؤدي التغيير في درجة الحرارة إلى تمسخ الأنزيمات ، وتتباطأ تفاعلات التمثيل الضوئي.

في أي تفاعلات التمثيل الغذائي في النباتات يعتبر ثاني أكسيد الكربون المادة الأولية لتخليق الكربوهيدرات؟

إجابه

في تفاعلات التمثيل الضوئي.

في أوراق النباتات ، تستمر عملية التمثيل الضوئي بشكل مكثف. هل يحدث في الثمار الناضجة وغير الناضجة؟ اشرح الجواب.

إجابه

يحدث التمثيل الضوئي في الأجزاء الخضراء من النباتات المعرضة للضوء. وهكذا ، يحدث التمثيل الضوئي في قشرة الثمار الخضراء. لا يحدث التمثيل الضوئي داخل الثمرة وداخل جلد الثمار الناضجة (وليس الخضراء).

كما يوحي الاسم ، فإن التمثيل الضوئي هو في الأساس تخليق طبيعي للمواد العضوية ، حيث يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي والماء إلى جلوكوز وأكسجين حر.

هذا يتطلب وجود الطاقة الشمسية.

يمكن تمثيل المعادلة الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي بشكل عام على النحو التالي:

يتكون التمثيل الضوئي من مرحلتين: الظلام والنور. تختلف التفاعلات الكيميائية للمرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي اختلافًا كبيرًا عن تفاعلات طور الضوء ، لكن المراحل المظلمة والضيقة لعملية التمثيل الضوئي تعتمد على بعضها البعض.

يمكن أن تحدث مرحلة الضوء في أوراق النبات حصريًا في ضوء الشمس. بالنسبة للظلام ، فإن وجود ثاني أكسيد الكربون ضروري ، ولهذا يجب على النبات امتصاصه من الغلاف الجوي طوال الوقت. سيتم توفير جميع الخصائص المقارنة لمراحل الظلام والضوء لعملية التمثيل الضوئي أدناه. لهذا ، تم إنشاء جدول مقارن "مراحل التمثيل الضوئي".

المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي

تحدث العمليات الرئيسية في المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي في أغشية الثايلاكويد. إنه يتضمن الكلوروفيل ، والبروتينات الحاملة للإلكترون ، وتركيب ATP (إنزيم يسرع التفاعل) وأشعة الشمس.

علاوة على ذلك ، يمكن وصف آلية التفاعل على النحو التالي: عندما يصطدم ضوء الشمس بالأوراق الخضراء للنباتات ، فإن إلكترونات الكلوروفيل (الشحنة السالبة) تكون متحمسة في بنيتها ، والتي ، بعد أن تحولت إلى حالة نشطة ، تترك جزيء الصبغة وتنتهي في الجانب الخارجي من الثايلاكويد ، وغشاءه أيضًا مشحون سالبًا. في الوقت نفسه ، تتأكسد جزيئات الكلوروفيل وتتأكسد بالفعل وتستعيد ، وبالتالي تأخذ الإلكترونات من الماء الموجود في بنية الورقة.

تؤدي هذه العملية إلى حقيقة أن جزيئات الماء تتحلل ، وتتبرع الأيونات الناتجة عن التحلل الضوئي للماء بإلكتروناتها وتتحول إلى جذور OH قادرة على إجراء المزيد من التفاعلات. علاوة على ذلك ، يتم الجمع بين جذور الهيدروكسيد التفاعلية هذه ، مما ينتج عنه جزيئات ماء كاملة وأكسجين. في هذه الحالة ، يتم إطلاق الأكسجين الحر في البيئة الخارجية.

نتيجة لكل هذه التفاعلات والتحولات ، يكون غشاء ثايلاكويد الأوراق مشحونًا بشحنة موجبة من ناحية (بسبب H + أيون) ، ومن ناحية أخرى ، بشكل سلبي (بسبب الإلكترونات). عندما يصل الفرق بين هذه الشحنات في جانبي الغشاء إلى أكثر من 200 ملي فولت ، تمر البروتونات عبر قنوات خاصة من إنزيم تخليق ATP ونتيجة لذلك ، يتم تحويل ADP إلى ATP (نتيجة لعملية الفسفرة). والهيدروجين الذري ، المنطلق من الماء ، يعيد الناقل المحدد NADP + إلى NADP H2. كما ترى ، نتيجة لمرحلة الضوء لعملية التمثيل الضوئي ، تحدث ثلاث عمليات رئيسية:

1. تخليق ATP
2. إنشاء NADP H2 ؛
3. تشكيل الأكسجين الحر.

يتم إطلاق الأخير في الغلاف الجوي ، ويشارك NADP H2 و ATP في المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي.

المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي

تتميز المراحل المظلمة والضيقة لعملية التمثيل الضوئي بإنفاق كبير للطاقة من جانب النبات ، لكن المرحلة المظلمة تستمر بشكل أسرع وتتطلب طاقة أقل. لا تتطلب تفاعلات المرحلة المظلمة ضوء الشمس ، لذلك يمكن أن تحدث ليلاً أو نهارًا.

تحدث جميع العمليات الرئيسية لهذه المرحلة في سدى البلاستيدات الخضراء للنبات وتمثل نوعًا من سلسلة التحولات المتتالية لثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. أول تفاعل في مثل هذه السلسلة هو تثبيت ثاني أكسيد الكربون. لجعلها تعمل بشكل أكثر سلاسة وأسرع ، قدمت الطبيعة إنزيم RiBP-carboxylase ، الذي يحفز تثبيت ثاني أكسيد الكربون.

ثم تحدث دورة كاملة من التفاعلات ، يتم استكمالها بتحويل حمض الفوسفوجليسيريك إلى جلوكوز (سكر طبيعي). تستخدم كل هذه التفاعلات طاقة ATP و NADP H2 ، والتي تم إنشاؤها في المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي. بالإضافة إلى الجلوكوز ، تتشكل مواد أخرى أيضًا نتيجة لعملية التمثيل الضوئي. من بينها العديد من الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والجليسرول وكذلك النيوكليوتيدات.

مراحل التمثيل الضوئي: جدول المقارنة

معايير المقارنة	مرحلة الضوء	المرحلة المظلمة
ضوء الشمس	إلزامي	غير مطلوب
موقع ردود الفعل	كلوروبلاست جرانا	سدى البلاستيدات الخضراء
الاعتماد على مصدر الطاقة	يعتمد على ضوء الشمس	يعتمد على ATP و NADP H2 المتكون في مرحلة الضوء وعلى كمية ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي
مواد البداية	الكلوروفيل ، البروتينات الحاملة للإلكترون ، تخليق ATP	ثاني أكسيد الكربون
جوهر المرحلة وما يتشكل	يتم تحرير O2 الحر ، يتم تكوين ATP و NADP H2	تكوين السكر الطبيعي (الجلوكوز) وامتصاص ثاني أكسيد الكربون من الجو

التمثيل الضوئي - الفيديو

بتعبير أدق ، فإن ثاني أكسيد الكربون (CO 2) مرتبط بالطور المظلم.

هذه العملية متعددة المراحل ، في الطبيعة هناك طريقتان رئيسيتان: C 3 - التخليق الضوئي و C 4 - التخليق الضوئي. يشير الحرف اللاتيني C إلى ذرة كربون ، الرقم الذي يليه هو عدد ذرات الكربون في المنتج العضوي الأساسي للمرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي. وبالتالي ، في حالة مسار C 3 ، يعتبر حمض الفوسفوجليسيريك ثلاثي الكربون ، المشار إليه باسم FHA ، المنتج الأساسي. في حالة مسار C4 ، فإن أول مركب عضوي في ارتباط ثاني أكسيد الكربون هو حمض أوكسال أسيتيك رباعي الكربون (oxaloacetate).

يسمى التمثيل الضوئي C 3 أيضًا دورة كالفين ، بعد العالم الذي درسها. يتضمن التركيب الضوئي C 4 دورة كالفين ، ومع ذلك ، فإنه لا يتكون منها فقط ويسمى دورة هاتش سلاك. في خطوط العرض المعتدلة ، تعتبر نباتات C 3 شائعة ، في خطوط العرض الاستوائية - C 4.

تحدث التفاعلات المظلمة لعملية التمثيل الضوئي في سدى البلاستيدات الخضراء.

دورة كالفين

أول تفاعل لدورة كالفين هو الكربوكسيل للريبولوز -1،5-ثنائي الفوسفات (RiBP). الكربوكسيل- هذا هو إضافة جزيء CO 2 ، مما يؤدي إلى تكوين مجموعة الكربوكسيل -COOH. RiBP عبارة عن ريبوز (سكر خماسي الكربون) يتم فيه ربط مجموعات الفوسفات (المكونة من حمض الفوسفوريك) بذرات الكربون الطرفية:

الصيغة الكيميائية لـ RiBF

يتم تحفيز التفاعل بواسطة إنزيم ribulose-1،5-bisphosphate-carboxylase-Oxygenase ( روبيسكو). يمكن أن يحفز ليس فقط ارتباط ثاني أكسيد الكربون ، ولكن أيضًا الأكسجين ، كما تدل عليه كلمة "أوكسيجيناز" في اسمها. إذا كان RuBisCO يحفز تفاعل إضافة الأكسجين إلى الركيزة ، فإن المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي لم تعد تستمر على طول مسار دورة كالفين ، ولكن على طول المسار التنفس الضوئي، وهو ضار بالنبات من حيث المبدأ.

يحدث تحفيز تفاعل إضافة CO 2 إلى RiBP في عدة خطوات. نتيجة لذلك ، يتم تكوين مركب عضوي غير مستقر مكون من ستة كربون ، والذي يتحلل على الفور إلى جزيئين من ثلاثة كربون. حمض الفوسفوجليسيريك(FGK).

الصيغة الكيميائية لحمض الفوسفوجليسيريك

علاوة على ذلك ، يتحول FGK ، في العديد من التفاعلات الأنزيمية ، مع إنفاق طاقة ATP والقدرة المختزلة لـ NADP H 2 ، إلى phosphoglyceraldehyde (PGA) ، ويسمى أيضًا ثلاثي الفوسفات.

يترك جزء أصغر من PHA دورة كالفين ويستخدم لتخليق مواد عضوية أكثر تعقيدًا ، مثل الجلوكوز. وهي بدورها يمكن أن تتحول إلى نشا. تتشكل المواد الأخرى (الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية) بمشاركة مختلف المواد الأولية. لوحظت ردود الفعل هذه ليس فقط في الخلايا النباتية. لذلك ، إذا اعتبرنا التمثيل الضوئي ظاهرة فريدة من نوعها للخلايا التي تحتوي على الكلوروفيل ، فإنها تنتهي بتخليق PHA ، وليس الجلوكوز.

تبقى معظم جزيئات PHA في دورة كالفين. يحدث معه عدد من التحولات ، ونتيجة لذلك يتحول PHA إلى RiBF. كما أنه يستخدم طاقة ATP. وبالتالي ، يتم تجديد RiBP لربط جزيئات ثاني أكسيد الكربون الجديدة.

دورة هاتش سلاك

في العديد من النباتات في الموائل الحارة ، تكون المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي أكثر تعقيدًا إلى حد ما. في عملية التطور ، ظهر التمثيل الضوئي لـ C 4 كطريقة أكثر فاعلية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون ، عندما زادت كمية الأكسجين في الغلاف الجوي ، وبدأ RuBisCO في التبديد على التنفس الضوئي غير الفعال.

هناك نوعان من خلايا التمثيل الضوئي في نباتات C4. في البلاستيدات الخضراء في الورقة المتوسطة ، تحدث المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي وجزء من المرحلة المظلمة ، أي ارتباط ثاني أكسيد الكربون مع فسفوينول بيروفات(FEP). نتيجة لذلك ، يتم تكوين حمض عضوي رباعي الكربون. علاوة على ذلك ، يتم نقل هذا الحمض إلى البلاستيدات الخضراء للخلايا المبطنة للحزمة الموصلة. هنا ، ينفصل جزيء ثاني أكسيد الكربون منه إنزيميًا ، ثم يدخل دورة كالفين. حمض الكربون الثلاثة المتبقي بعد نزع الكربوكسيل - بيروفيك- يعود إلى الخلايا المتوسطة ، حيث يتحول مرة أخرى إلى FEP.

على الرغم من أن دورة Hatch-Slack هي البديل الأكثر كثافة للطاقة من المرحلة المظلمة من التمثيل الضوئي ، فإن الإنزيم الذي يربط CO 2 و PEP هو محفز أكثر كفاءة من RuBisCO. بالإضافة إلى ذلك ، لا يتفاعل مع الأكسجين. يؤدي نقل ثاني أكسيد الكربون بمساعدة حمض عضوي إلى خلايا أعمق ، حيث يتم إعاقة إمداد الأكسجين ، إلى زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون هنا ، ولا يتم إنفاق RuBisCO تقريبًا على ربط الأكسجين الجزيئي.

كيف نفسر هذه العملية المعقدة مثل التمثيل الضوئي ، بإيجاز وبشكل واضح؟ النباتات هي الكائنات الحية الوحيدة التي يمكنها إنتاج طعامها. كيف يفعلون ذلك؟ للنمو ، يحصلون على جميع المواد الضرورية من البيئة: ثاني أكسيد الكربون - من الهواء والماء و - من التربة. هم أيضا بحاجة إلى الطاقة من ضوء الشمس. تؤدي هذه الطاقة إلى تفاعلات كيميائية معينة يتم خلالها تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز (تغذية) ويتم التمثيل الضوئي. باختصار ووضوح ، يمكن شرح جوهر العملية حتى للأطفال في سن المدرسة.

"معا مع النور"

تأتي كلمة "التمثيل الضوئي" من كلمتين يونانيتين - "صورة" و "تركيب" ، وهي تركيبة تعني في الترجمة "مع الضوء". يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية. المعادلة الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي:

6CO 2 + 12H 2 O + ضوء \ u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

هذا يعني أنه يتم استخدام 6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون واثني عشر جزيء ماء (مع ضوء الشمس) لإنتاج الجلوكوز ، مما ينتج عنه ستة جزيئات من الأكسجين وستة جزيئات ماء. إذا قمنا بتمثيل هذا في شكل معادلة لفظية ، نحصل على ما يلي:

ماء + شمس => جلوكوز + أكسجين + ماء.

الشمس مصدر قوي جدا للطاقة. يحاول الناس دائمًا استخدامه لتوليد الكهرباء وعزل المنازل وتسخين المياه وما إلى ذلك. "اكتشفت" النباتات كيفية استخدام الطاقة الشمسية منذ ملايين السنين لأنها كانت ضرورية لبقائها على قيد الحياة. يمكن شرح التمثيل الضوئي باختصار ووضوح على النحو التالي: تستخدم النباتات الطاقة الضوئية للشمس وتحولها إلى طاقة كيميائية ينتج عنها سكر (جلوكوز) يخزن الفائض منه كنشا في الأوراق والجذور والسيقان وبذور النبات. تنتقل طاقة الشمس إلى النباتات وكذلك إلى الحيوانات التي تأكلها هذه النباتات. عندما يحتاج النبات إلى مغذيات للنمو وعمليات الحياة الأخرى ، فإن هذه الاحتياطيات مفيدة للغاية.

كيف تمتص النباتات الطاقة الشمسية؟

عند الحديث عن التمثيل الضوئي باختصار وبشكل واضح ، يجدر التطرق إلى مسألة كيفية تمكن النباتات من امتصاص الطاقة الشمسية. ويرجع ذلك إلى البنية الخاصة للأوراق ، والتي تشمل الخلايا الخضراء - البلاستيدات الخضراء ، والتي تحتوي على مادة خاصة تسمى الكلوروفيل. وهذا ما يعطي الأوراق لونها الأخضر وهو المسؤول عن امتصاص طاقة ضوء الشمس.

لماذا معظم الأوراق عريضة ومسطحة؟

يحدث التمثيل الضوئي في أوراق النباتات. الحقيقة المدهشة هي أن النباتات تتكيف بشكل جيد للغاية مع ضوء الشمس وامتصاص ثاني أكسيد الكربون. نظرًا للسطح العريض ، سيتم التقاط المزيد من الضوء. ولهذا السبب ، فإن الألواح الشمسية ، التي يتم تركيبها أحيانًا على أسطح المنازل ، تكون أيضًا واسعة ومسطحة. كلما كان السطح أكبر ، كان الامتصاص أفضل.

ما هو المهم أيضا للنباتات؟

تمامًا مثل البشر ، تحتاج النباتات أيضًا إلى مغذيات ومغذيات للبقاء بصحة جيدة والنمو والأداء الجيد. يحصلون على المعادن المذابة في الماء من التربة من خلال جذورهم. إذا كانت التربة تفتقر إلى المغذيات المعدنية ، فلن ينمو النبات بشكل طبيعي. غالبًا ما يختبر المزارعون التربة للتأكد من احتوائها على ما يكفي من العناصر الغذائية لنمو المحاصيل. وإلا اللجوء إلى استخدام الأسمدة المحتوية على معادن أساسية لتغذية النبات ونموه.

لماذا يعتبر التمثيل الضوئي مهمًا جدًا؟

شرح التمثيل الضوئي بشكل موجز وواضح للأطفال ، والجدير بالذكر أن هذه العملية من أهم التفاعلات الكيميائية في العالم. ما هي أسباب هذا البيان الصاخب؟ أولاً ، يغذي التمثيل الضوئي النباتات ، والتي بدورها تغذي جميع الكائنات الحية الأخرى على الكوكب ، بما في ذلك الحيوانات والبشر. ثانيًا ، نتيجة لعملية التمثيل الضوئي ، يتم إطلاق الأكسجين اللازم للتنفس في الغلاف الجوي. كل الكائنات الحية تتنفس الأكسجين وتخرج ثاني أكسيد الكربون. لحسن الحظ ، تقوم النباتات بالعكس ، وهذا هو سبب أهمية تنفسها للإنسان والحيوان.

عملية مذهلة

اتضح أن النباتات تعرف أيضًا كيف تتنفس ، لكنها ، على عكس البشر والحيوانات ، تمتص ثاني أكسيد الكربون من الهواء ، وليس الأكسجين. تشرب النباتات أيضًا. لهذا السبب تحتاج إلى سقيهم ، وإلا سيموتون. بمساعدة نظام الجذر ، يتم نقل الماء والمواد الغذائية إلى جميع أجزاء جسم النبات ، ويتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون من خلال ثقوب صغيرة في الأوراق. يُعد ضوء الشمس الدافع لبدء تفاعل كيميائي. يتم استخدام جميع المنتجات الأيضية الناتجة من قبل النباتات للتغذية ، ويتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي. هذه هي الطريقة التي يمكنك بها شرح كيفية حدوث عملية التمثيل الضوئي بإيجاز ووضوح.

التمثيل الضوئي: مراحل الضوء والظلام لعملية التمثيل الضوئي

تتكون العملية قيد النظر من جزأين رئيسيين. هناك مرحلتان من التمثيل الضوئي (الوصف والجدول - أدناه). الأول يسمى مرحلة الضوء. يحدث فقط في وجود الضوء في أغشية الثايلاكويد بمشاركة الكلوروفيل والبروتينات الحاملة للإلكترون وإنزيم ATP synthetase. ماذا تخفي عملية التمثيل الضوئي؟ الضوء واستبدلي بعضهما البعض مع حلول النهار والليل (دورات كالفن). خلال المرحلة المظلمة ، يحدث إنتاج نفس الجلوكوز ، وهو غذاء للنباتات. تسمى هذه العملية أيضًا رد الفعل المستقل عن الضوء.

مرحلة الضوء

المرحلة المظلمة

1. ردود الفعل التي تحدث في البلاستيدات الخضراء ممكنة فقط في وجود الضوء. هذه التفاعلات تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. 2. الكلوروفيل والأصباغ الأخرى تمتص الطاقة من ضوء الشمس. يتم نقل هذه الطاقة إلى أنظمة التمثيل الضوئي المسؤولة عن التمثيل الضوئي. 3. يستخدم الماء للإلكترونات وأيونات الهيدروجين ، ويشارك أيضًا في إنتاج الأكسجين 4. تُستخدم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين لتكوين ATP (جزيء تخزين الطاقة) ، وهو أمر ضروري في المرحلة التالية من عملية التمثيل الضوئي

1. تحدث تفاعلات دورة إيقاف الضوء في سدى البلاستيدات الخضراء 2. يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون والطاقة من ATP في شكل جلوكوز

استنتاج

من كل ما سبق ، يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية:

• التمثيل الضوئي هو العملية التي تجعل من الممكن الحصول على الطاقة من الشمس.
• يتم تحويل الطاقة الضوئية للشمس إلى طاقة كيميائية بواسطة الكلوروفيل.
• يعطي الكلوروفيل النباتات لونها الأخضر.
• يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء لأوراق النبات.
• ثاني أكسيد الكربون والماء ضروريان لعملية التمثيل الضوئي.
• يدخل ثاني أكسيد الكربون إلى النبات من خلال ثقوب صغيرة وثغور ويخرج الأكسجين من خلالها.
• يتم امتصاص الماء في النبات من خلال جذوره.
• بدون عملية التمثيل الضوئي ، لن يكون هناك طعام في العالم.

- تركيب المواد العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء مع الاستخدام الإجباري للطاقة الضوئية:

6CO 2 + 6H 2 O + Q light → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

في النباتات العليا ، يكون عضو التمثيل الضوئي هو الورقة ، وعضيات التمثيل الضوئي هي البلاستيدات الخضراء (بنية البلاستيدات الخضراء هي المحاضرة رقم 7). تحتوي أغشية الثايلاكويد للبلاستيدات الخضراء على أصباغ التمثيل الضوئي: الكلوروفيل والكاروتينات. هناك عدة أنواع مختلفة من الكلوروفيل ( ا ب ت ث) ، أهمها الكلوروفيل أ. في جزيء الكلوروفيل ، يمكن تمييز "رأس" بورفيرين به ذرة مغنيسيوم في المركز و "ذيل" فيتول. البورفيرين "رأس" هو هيكل مسطح ، محب للماء ، وبالتالي يقع على سطح الغشاء الذي يواجه البيئة المائية للسدى. "ذيل" فيتول كاره للماء وبالتالي يحافظ على جزيء الكلوروفيل في الغشاء.

يمتص الكلوروفيل الضوء الأحمر والأزرق البنفسجي ، ويعكس اللون الأخضر ، وبالتالي يعطي النباتات لونها الأخضر المميز. يتم تنظيم جزيئات الكلوروفيل في أغشية الثايلاكويد أنظمة الصور. تحتوي النباتات والطحالب الخضراء المزرقة على نظام ضوئي -1 ونظام ضوئي -2 ؛ تحتوي بكتيريا التمثيل الضوئي على نظام ضوئي -1. فقط النظام الضوئي 2 يمكنه تحلل الماء بإطلاق الأكسجين وأخذ الإلكترونات من هيدروجين الماء.

التمثيل الضوئي هو عملية معقدة متعددة المراحل ؛ تنقسم تفاعلات التمثيل الضوئي إلى مجموعتين: ردود الفعل مرحلة الضوءوردود الفعل المرحلة المظلمة.

مرحلة الضوء

تحدث هذه المرحلة فقط في وجود الضوء في أغشية الثايلاكويد بمشاركة الكلوروفيل والبروتينات الحاملة للإلكترون وإنزيم ATP synthetase. تحت تأثير كمية من الضوء ، يتم تحفيز إلكترونات الكلوروفيل ، وتترك الجزيء وتدخل الجانب الخارجي من غشاء الثايلاكويد ، والذي يصبح في النهاية سالبًا. تتم استعادة جزيئات الكلوروفيل المؤكسدة عن طريق أخذ الإلكترونات من الماء الموجود في الفضاء الداخلي. هذا يؤدي إلى تحلل الماء أو تحلله ضوئيًا:

H 2 O + Q light → H + + OH -.

تتبرع أيونات الهيدروكسيل بإلكتروناتها وتتحول إلى جذور تفاعلية.

أوه - → .OH + ه -.

الجذور: تتحد OH لتكوين الماء والأكسجين الحر:

4 → 2H 2 O + O 2.

في هذه الحالة ، يتم إزالة الأكسجين إلى البيئة الخارجية ، وتتراكم البروتونات داخل الثايلاكويد في "خزان البروتون". نتيجة لذلك ، فإن غشاء الثايلاكويد ، من ناحية ، مشحون بشكل إيجابي بسبب H + ، من ناحية أخرى ، سلبًا بسبب الإلكترونات. عندما يصل فرق الجهد بين الجانبين الخارجي والداخلي لغشاء الثايلاكويد إلى 200 مللي فولت ، يتم دفع البروتونات عبر قنوات مركب ATP ويتم فسفرة ADP إلى ATP ؛ يستخدم الهيدروجين الذري لاستعادة الحامل المحدد NADP + (فوسفات النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد) إلى NADP H 2:

2H + 2e - + NADP → NADP H 2.

وبالتالي ، يحدث التحلل الضوئي للماء في طور الضوء ، والذي يصاحبه ثلاث عمليات رئيسية: 1) تخليق ATP. 2) تشكيل NADP · H 2 ؛ 3) تكوين الأكسجين. ينتشر الأكسجين في الغلاف الجوي ، ويتم نقل ATP و NADP · H 2 إلى سدى البلاستيدات الخضراء والمشاركة في عمليات المرحلة المظلمة.

1 - سدى البلاستيدات الخضراء ؛ 2 - جرانا ثايلاكويد.

المرحلة المظلمة

تحدث هذه المرحلة في سدى البلاستيدات الخضراء. لا تتطلب تفاعلاته طاقة الضوء ، لذلك فهي لا تحدث فقط في الضوء ، ولكن أيضًا في الظلام. تفاعلات المرحلة المظلمة هي سلسلة من التحولات المتتالية لثاني أكسيد الكربون (يأتي من الهواء) ، مما يؤدي إلى تكوين الجلوكوز والمواد العضوية الأخرى.

أول تفاعل في هذه السلسلة هو تثبيت ثاني أكسيد الكربون. متقبل ثاني أكسيد الكربون هو سكر خماسي الكربون ريبولوز ثنائي الفوسفات(RiBF) ؛ إنزيم يحفز التفاعل كربوكسيلاز ثنائي فوسفات الريبولوز(RiBP- كربوكسيلاز). نتيجة لكربوكسيل ثنائي فوسفات الريبولوز ، يتم تكوين مركب غير مستقر مكون من ستة كربون ، والذي يتحلل على الفور إلى جزيئين حمض الفوسفوجليسيريك(FGK). ثم هناك دورة من التفاعلات يتم فيها تحويل حمض الفوسفوجليسيريك إلى جلوكوز من خلال سلسلة من المنتجات الوسيطة. تستخدم هذه التفاعلات طاقات ATP و NADP · H 2 المتكونة في طور الضوء ؛ تسمى دورة هذه التفاعلات دورة كالفين:

6CO 2 + 24H + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

بالإضافة إلى الجلوكوز ، تتشكل مونومرات أخرى من المركبات العضوية المعقدة أثناء عملية التمثيل الضوئي - الأحماض الأمينية ، الجلسرين والأحماض الدهنية والنيوكليوتيدات. يوجد حاليًا نوعان من التمثيل الضوئي: C 3 - و C 4 - التمثيل الضوئي.

ج 3 - التركيب الضوئي

هذا نوع من التمثيل الضوئي حيث تكون مركبات الكربون (C3) هي المنتج الأول. تم اكتشاف التخليق الضوئي C3 قبل التخليق الضوئي C4 (M.Calvin). إنه تركيب ضوئي C 3 الموصوف أعلاه ، تحت عنوان "المرحلة المظلمة". السمات المميزة لعملية التمثيل الضوئي C 3: 1) RiBP هو متقبل لثاني أكسيد الكربون ، 2) يحفز RiBP carboxylase تفاعل الكربوكسيل RiBP ، 3) نتيجة لكربوكسيل RiBP ، يتكون مركب من ستة كربون ، والذي يتحلل إلى اثنين من FHAs. تمت استعادة قروض إدارة الإسكان الفدرالية إلى ثلاثي الفوسفات(TF). يستخدم جزء من TF لتجديد RiBP ، ويتم تحويل جزء منه إلى جلوكوز.

1 - البلاستيدات الخضراء 2 - بيروكسيسوم 3 - الميتوكوندريا.

هذا هو امتصاص الأكسجين الذي يعتمد على الضوء وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. حتى في بداية القرن الماضي ، وجد أن الأكسجين يثبط عملية التمثيل الضوئي. كما اتضح ، ليس فقط ثاني أكسيد الكربون ، ولكن أيضًا الأكسجين يمكن أن يكون ركيزة لـ RiBP carboxylase:

O 2 + RiBP → فوسفوجليكولات (2С) + FHA (3С).

يسمى الإنزيم RiBP-Oxygenase. الأكسجين مثبط تنافسي لتثبيت ثاني أكسيد الكربون. يتم قطع مجموعة الفوسفات ويصبح الفسفوجليكولات glycolate ، والذي يجب أن يستخدمه النبات. يدخل البيروكسيسومات ، حيث يتأكسد إلى الجلايسين. يدخل الجليسين إلى الميتوكوندريا ، حيث يتأكسد إلى السيرين ، مع فقدان الكربون الثابت بالفعل على شكل ثاني أكسيد الكربون. نتيجة لذلك ، يتم تحويل جزيئين من الجليكولات (2C + 2C) إلى FHA (3C) و CO 2. يؤدي التنفس الضوئي إلى انخفاض محصول نباتات C3 بنسبة 30-40٪ ( ج 3-النباتات- نباتات تتميز بتركيبة C3).

C4 - التمثيل الضوئي - التمثيل الضوئي ، حيث يكون المنتج الأول عبارة عن مركبات رباعي الكربون (C 4). في عام 1965 ، وجد أنه في بعض النباتات (قصب السكر ، والذرة ، والذرة الرفيعة ، والدخن) تكون أولى منتجات التمثيل الضوئي هي أحماض من أربعة كربون. تسمى هذه النباتات مع 4 نباتات. في عام 1966 ، أظهر العالمان الأستراليان هاتش وسلاك أن نباتات C4 ليس لها عمليًا أي تنفس ضوئي وتمتص ثاني أكسيد الكربون بشكل أكثر كفاءة. بدأ استدعاء مسار تحولات الكربون في مصانع C4 بواسطة هاتش سلاك.

تتميز نباتات C4 ببنية تشريحية خاصة للورقة. جميع الحزم الموصلة محاطة بطبقة مزدوجة من الخلايا: الطبقة الخارجية عبارة عن خلايا متوسطة ، والداخلية عبارة عن خلايا مبطنة. تم إصلاح ثاني أكسيد الكربون في السيتوبلازم لخلايا الميزوفيل ، المتقبل فسفوينول بيروفات(PEP ، 3C) ، نتيجة للكربوكسيل PEP ، يتم تكوين أوكسالو أسيتات (4C). يتم تحفيز العملية PEP كربوكسيلاز. على عكس RiBP carboxylase ، فإن PEP carboxylase له تقارب كبير لثاني أكسيد الكربون ، والأهم من ذلك أنه لا يتفاعل مع O 2. في البلاستيدات الخضراء متوسطة الحجم ، توجد العديد من الجرانيت ، حيث تحدث تفاعلات المرحلة الضوئية بنشاط. تحدث تفاعلات المرحلة المظلمة في البلاستيدات الخضراء لخلايا الغمد.

يتم تحويل Oxaloacetate (4C) إلى malate ، والذي يتم نقله من خلال plasmodesmata إلى الخلايا المبطنة. هنا يتم نزع الكربوكسيل وتجفيفه لتشكيل البيروفات وثاني أكسيد الكربون و NADP · H 2.

يعود البيروفات إلى خلايا الوسطية ويتجدد على حساب طاقة ATP في PEP. يتم إصلاح ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى بواسطة كربوكسيلاز RiBP بتكوين FHA. يتطلب تجديد PEP طاقة ATP ، لذلك ما يقرب من ضعف الطاقة اللازمة لعملية التمثيل الضوئي C 3.

أهمية التمثيل الضوئي

بفضل عملية التمثيل الضوئي ، يتم امتصاص بلايين الأطنان من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي كل عام ، ويتم إطلاق مليارات الأطنان من الأكسجين ؛ التمثيل الضوئي هو المصدر الرئيسي لتكوين المواد العضوية. تتكون طبقة الأوزون من الأكسجين الذي يحمي الكائنات الحية من الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة.

أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم الورقة الخضراء حوالي 1 ٪ فقط من الطاقة الشمسية التي تسقط عليها ، وتبلغ الإنتاجية حوالي 1 جرام من المادة العضوية لكل 1 م 2 من السطح في الساعة.

التخليق الكيميائي

يُطلق على تخليق المركبات العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء ، الذي لا يتم على حساب الطاقة الضوئية ، ولكن على حساب طاقة أكسدة المواد غير العضوية التخليق الكيميائي. تتضمن كائنات التخليق الكيميائي بعض أنواع البكتيريا.

البكتيريا الآزوتيةأكسدة الأمونيا إلى نيتروز ، ثم إلى حمض النيتريك (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

بكتيريا الحديدتحويل الحديد إلى أكسيد (Fe 2+ → Fe 3+).

بكتيريا الكبريتيؤكسد كبريتيد الهيدروجين إلى كبريت أو حمض الكبريتيك (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O ، H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

نتيجة لتفاعلات الأكسدة للمواد غير العضوية ، يتم إطلاق الطاقة ، والتي تخزنها البكتيريا في شكل روابط عالية الطاقة من ATP. يستخدم ATP لتخليق المواد العضوية ، والتي تستمر بشكل مشابه لتفاعلات المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي.

تساهم البكتيريا المُصنّعة كيميائيًا في تراكم المعادن في التربة ، وتحسين خصوبة التربة ، وتعزيز معالجة مياه الصرف الصحي ، وما إلى ذلك.

اذهب إلى محاضرات №11"مفهوم التمثيل الغذائي. التخليق الحيوي للبروتينات "

اذهب إلى محاضرات №13"طرق تقسيم الخلايا حقيقية النواة: الانقسام ، الانقسام الاختزالي ، amitosis"