האם אי פעם תהיתם כמה יצורים חיים יש על הפלנטה?! ואחרי הכל, כולם צריכים לשאוף חמצן כדי להפיק אנרגיה ולנשוף פחמן דו חמצני. פחמן דו חמצני הוא הגורם העיקרי לתופעה כמו מחניקה בחדר. הוא מתרחש כאשר יש בו הרבה אנשים, והחדר אינו מאוורר במשך זמן רב. בנוסף, מתקנים תעשייתיים, רכב פרטי ותחבורה ציבורית ממלאים את האוויר בחומרים רעילים.
לאור האמור לעיל, עולה שאלה הגיונית לחלוטין: איך לא נחנקנו אז, אם כל החיים הם מקור לפחמן דו חמצני רעיל? המושיע של כל היצורים החיים במצב זה הוא הפוטוסינתזה. מהו התהליך הזה ומדוע הוא נחוץ?
התוצאה שלו היא התאמה של מאזן הפחמן הדו חמצני ורוויה של האוויר בחמצן. תהליך כזה מוכר רק לנציגי עולם הצומח, כלומר הצמחים, שכן הוא מתרחש רק בתאים שלהם.
פוטוסינתזה עצמה היא הליך מורכב ביותר, תלוי בתנאים מסוימים ומתרחש בכמהשלבים.
הגדרת המושג
לפי ההגדרה המדעית, חומרים אורגניים מומרים לחומרים אורגניים במהלך הפוטוסינתזה ברמה התאית באורגניזמים אוטוטרופיים עקב חשיפה לאור השמש.
לנסח זאת בצורה פשוטה יותר, פוטוסינתזה היא התהליך שבו מתרחשים הדברים הבאים:
- הצמח רווי בלחות. מקור הלחות יכול להיות מים מהקרקע או אוויר טרופי לח.
- כלורופיל (חומר מיוחד שנמצא בצמחים) מגיב לאנרגיה סולארית.
- היווצרות המזון הדרוש לנציגי הצומח, שהם לא מסוגלים להשיג בעצמם בצורה הטרוטרופית, אבל הם עצמם היצרנים שלו. במילים אחרות, צמחים אוכלים את מה שהם מייצרים. זוהי תוצאה של פוטוסינתזה.
שלב ראשון
כמעט כל צמח מכיל חומר ירוק שבזכותו הוא יכול לספוג אור. החומר הזה הוא לא יותר מכלורופיל. מיקומו הוא כלורופלסטים. אבל כלורופלסטים ממוקמים בחלק הגזע של הצמח ופירותיו. אבל פוטוסינתזה עלים נפוצה במיוחד בטבע. מאחר שהאחרון די פשוט במבנה שלו ובעל משטח גדול יחסית, מה שאומר שכמות האנרגיה הנדרשת להמשך תהליך החילוץ תהיה הרבה יותר גדולה.
כאשר האור נספג בכלורופיל, האחרון נמצא במצב של התרגשותמעביר מסרי אנרגיה למולקולות אורגניות אחרות של הצמח. הכמות הגדולה ביותר של אנרגיה כזו עוברת למשתתפים בתהליך הפוטוסינתזה.
שלב שני
היווצרות הפוטוסינתזה בשלב השני אינה מחייבת השתתפות חובה של אור. הוא מורכב מיצירת קשרים כימיים באמצעות פחמן דו חמצני רעיל הנוצר מסות אוויר ומים. יש גם סינתזה של חומרים רבים המבטיחים את הפעילות החיונית של נציגי הצומח. אלה הם עמילן, גלוקוז.
בצמחים, יסודות אורגניים כאלה פועלים כמקור תזונה לחלקים בודדים של הצמח, תוך הבטחת מהלך תקין של תהליכי החיים. חומרים כאלה מתקבלים גם על ידי נציגי החי שאוכלים צמחים למאכל. גוף האדם רווי בחומרים אלו דרך המזון, הנכלל בתפריט היומי.
מה? איפה? מתי?
כדי שחומרים אורגניים יהפכו לאורגניים, יש צורך לספק תנאים מתאימים לפוטוסינתזה. לתהליך הנדון, קודם כל, יש צורך באור. אנחנו מדברים על אור שמש מלאכותי. בטבע, פעילות הצמח מאופיינת לרוב בעוצמה באביב ובקיץ, כלומר כאשר יש צורך בכמות גדולה של אנרגיה סולארית. מה לא ניתן לומר על עונת הסתיו, שבה יש פחות ופחות אור, היום מתקצר. כתוצאה מכך, העלווה הופכת צהובה, ולאחר מכן נושרת לחלוטין. אבל ברגע שקרני השמש האביביות הראשונות זורחות, דשא ירוק יעלה, הם מיד יחזרו לפעילותם.כלורופילים, וייצור פעיל של חמצן וחומרי תזונה חיוניים אחרים יתחיל.
התנאים לפוטוסינתזה כוללים יותר מסתם אור. גם לחות צריכה להספיק. אחרי הכל, הצמח סופג תחילה לחות, ואז מתחילה תגובה בהשתתפות אנרגיית השמש. מזון צמחי הוא התוצאה של תהליך זה.
רק בנוכחות חומר ירוק מתרחשת פוטוסינתזה. מה הם כלורופילים, כבר סיפרנו לעיל. הם פועלים כמעין מוליך בין אור או אנרגיה סולארית לבין הצמח עצמו, ומבטיחים את מהלך חייהם ופעילותם התקין. לחומרים ירוקים יש את היכולת לספוג הרבה מקרני השמש.
חמצן גם משחק תפקיד משמעותי. כדי שתהליך הפוטוסינתזה יצליח, צמחים צריכים הרבה ממנו, שכן הוא מכיל רק 0.03% חומצה פחמנית. אז, מ-20,000 m3 של אוויר, אתה יכול לקבל 6 m3 של חומצה. החומר האחרון הוא חומר המקור העיקרי לגלוקוז, שהוא, בתורו, חומר הכרחי לחיים.
יש שני שלבים של פוטוסינתזה. הראשון נקרא אור, השני הוא כהה.
מהו המנגנון של זרימת שלב האור
לשלב האור של הפוטוסינתזה יש שם אחר - פוטוכימי. המשתתפים העיקריים בשלב זה הם:
- אנרגיה סולארית;
- מגוון פיגמנטים.
עם הרכיב הראשון, הכל ברור, זה אור שמש. אבלזה מה שהם פיגמנטים, לא כולם יודעים. הם ירוקים, צהובים, אדומים או כחולים. הכלורופילים מקבוצות "A" ו-"B" שייכים לירוק, לפיקובילינים לצהוב ואדום/כחול, בהתאמה. פעילות פוטוכימית בקרב המשתתפים בשלב זה של התהליך מוצגת רק על ידי הכלורופילים "A". השאר ממלאים תפקיד משלים, שמהותו היא איסוף קוונטות האור והובלתן למרכז הפוטוכימי.
מכיוון שהכלורופיל ניחן ביכולת לספוג ביעילות אנרגיית שמש באורך גל מסוים, זוהו המערכות הפוטוכימיות הבאות:
- מרכז פוטוכימי 1 (חומרים ירוקים מקבוצה "A") - פיגמנט 700 כלול בהרכב, סופג קרני אור, שאורכו כ-700 ננומטר. פיגמנט זה ממלא תפקיד בסיסי ביצירת תוצרים של שלב האור של הפוטוסינתזה.
- מרכז פוטוכימי 2 (חומרים ירוקים מקבוצה "B") - ההרכב כולל פיגמנט 680, הסופג קרני אור, שאורכו 680 ננומטר. יש לו תפקיד משני, המורכב בתפקוד של מילוי האלקטרונים שאבדו על ידי המרכז הפוטוכימי 1. זה מושג עקב הידרוליזה של הנוזל.
עבור 350–400 מולקולות פיגמנט המרכזות שטפי אור במערכות הצילום 1 ו-2, יש רק מולקולה אחת של פיגמנט, הפעילה מבחינה פוטוכימית - כלורופיל של קבוצה "A".
מה קורה?
1. אנרגיית האור הנספגת על ידי הצמח משפיעה על הפיגמנט 700 הכלול בו, שמשתנה ממצב נורמלי למצב נרגש. פיגמנט מאבדאלקטרון, וכתוצאה מכך היווצרות של מה שנקרא חור האלקטרון. יתרה מכך, מולקולת הפיגמנט שאיבדה אלקטרון יכולה לפעול כמקבל שלה, כלומר, הצד שמקבל את האלקטרון, ולחזור לצורתו.
2. תהליך פירוק הנוזל במרכז הפוטוכימי של הפיגמנט סופג האור של מערכת צילום 2. במהלך פירוק המים נוצרים אלקטרונים, המתקבלים בתחילה על ידי חומר כמו ציטוכרום C550 ומסומנים באות Q. לאחר מכן, מהציטוכרום, האלקטרונים נכנסים לשרשרת הנשא ומועברים למרכז פוטוכימי 1 כדי למלא את חור האלקטרונים, שהיה תוצאה של חדירת קוואנטות אור ותהליך ההפחתה של פיגמנט 700.
יש מקרים שמולקולה כזו מחזירה אלקטרון זהה לקודמו. זה יביא לשחרור אנרגיית אור בצורה של חום. אבל כמעט תמיד, אלקטרון בעל מטען שלילי מתחבר עם חלבוני ברזל-גופרית מיוחדים ומועבר לאורך אחת השרשראות לפיגמנט 700, או נכנס לשרשרת נשא אחרת ומתאחד עם קולט קבוע.
בגרסה הראשונה, יש הובלת אלקטרונים מסוג סגור מחזורית, בשנייה - לא מחזורית.
שני התהליכים מזורזים על ידי אותה שרשרת של נושאי אלקטרונים בשלב הראשון של הפוטוסינתזה. אך יש לציין שבמהלך פוטו-פוספורילציה מהסוג המחזורי, נקודת ההובלה הראשונית ובו זמנית הקצה הסיום היא כלורופיל, בעוד שההובלה הלא-מחזורית מרמזת על מעבר החומר הירוק מקבוצה "B" לכלורופיל "A".
תכונות של תחבורה אופנית
זרחון מחזורי נקרא גם פוטוסינתטי. כתוצאה מתהליך זה נוצרות מולקולות ATP. שינוע זה מבוסס על החזרת אלקטרונים במצב נרגש לפיגמנט 700 במספר שלבים עוקבים, כתוצאה מכך משתחררת אנרגיה שלוקחת חלק בעבודתה של מערכת האנזים המזרחן לצורך הצטברות נוספת בפוספט ATP. קשרים. כלומר, אנרגיה לא מתפזרת.
זרחון מחזורי הוא התגובה העיקרית של פוטוסינתזה, המבוססת על טכנולוגיה של יצירת אנרגיה כימית על משטחי הממברנה של תלקטואידים של כלורופלסט תוך שימוש באנרגיה של אור השמש.
ללא זרחון פוטוסינתטי, תגובות הטמעה בשלב האפל של הפוטוסינתזה בלתי אפשריות.
הניואנסים של תחבורה מסוג לא מחזורי
התהליך מורכב משחזור של NADP+ ויצירת NADPH. המנגנון מבוסס על העברת אלקטרון לפרדוקסין, תגובת ההפחתה שלו והמעבר הבא ל-NADP+ עם הפחתה נוספת ל-NADPH.
כתוצאה מכך, האלקטרונים שאיבדו פיגמנט 700 מתמלאים הודות לאלקטרוני המים, שמתפרקים תחת קרני אור במערכת הפוטו-2.
הנתיב הלא-מחזורי של אלקטרונים, שזרימתו מרמזת גם על פוטוסינתזה של אור, מתבצע באמצעות האינטראקציה של שתי מערכות הפוטו זו עם זו, ומקשרת את שרשראות הובלת האלקטרונים שלהן. זוֹרֵחַאנרגיה מכוונת את זרימת האלקטרונים בחזרה. בעת הובלה ממרכז פוטוכימי 1 למרכז 2, אלקטרונים מאבדים חלק מהאנרגיה שלהם עקב הצטברות כפוטנציאל פרוטונים על פני הממברנה של התילקטואידים.
בשלב האפל של הפוטוסינתזה, תהליך יצירת פוטנציאל מסוג פרוטון בשרשרת הובלת האלקטרונים וניצולו ליצירת ATP בכלורופלסטים זהה כמעט לחלוטין לאותו תהליך במיטוכונדריה. אבל תכונות עדיין קיימות. התילקטואידים במצב זה הם מיטוכונדריות הפונות מבפנים. זו הסיבה העיקרית לכך שהאלקטרונים והפרוטונים נעים על פני הממברנה בכיוון ההפוך ביחס לזרימת ההובלה בקרום המיטוכונדריה. אלקטרונים מועברים החוצה, בעוד פרוטונים מצטברים בחלק הפנימי של המטריצה התילקטית. האחרון מקבל רק מטען חיובי, והממברנה החיצונית של התילקטואיד היא שלילית. מכאן נובע שהנתיב של הגרדיאנט מסוג פרוטון מנוגד לנתיבו במיטוכונדריה.
ניתן לקרוא לתכונה הבאה רמת pH גדולה בפוטנציאל של פרוטונים.
התכונה השלישית היא נוכחותם של שני אתרי צימוד בלבד בשרשרת התילקטואידית, וכתוצאה מכך, היחס בין מולקולת ATP לפרוטונים הוא 1:3.
מסקנה
בשלב הראשון, פוטוסינתזה היא אינטראקציה של אנרגיית אור (מלאכותית ולא מלאכותית) עם צמח. חומרים ירוקים מגיבים לקרניים - כלורופילים שרובם מצויים בעלים
היווצרות ATP ו-NADPH היא תוצאה של תגובה כזו. מוצרים אלה חיוניים להתרחשות תגובות כהות. לכן, שלב האור הוא תהליך חובה, שבלעדיו לא יתקיים השלב השני - שלב החושך.
במה אפלה: מהות ותכונות
פוטוסינתזה כהה והתגובות שלה הן הליך של פחמן דו חמצני לחומרים ממקור אורגני עם ייצור פחמימות. יישום תגובות כאלה מתרחש בסטרומה של הכלורופלסט ובתוצרי השלב הראשון של הפוטוסינתזה - האור לוקח בהם חלק פעיל.
מנגנון השלב האפל של הפוטוסינתזה מבוסס על תהליך הטמעת פחמן דו חמצני (נקרא גם קרבוקסילציה פוטוכימית, מחזור קלווין), המאופיין במחזוריות. מורכב משלושה שלבים:
- Carboxylation - תוספת של CO2.
- שלב ההתאוששות.
- שלב התחדשות דיפוספט ריבולוז.
Ribulophosphate, סוכר עם חמישה אטומי פחמן, מזורחן על ידי ATP, וכתוצאה מכך נוצר דיפוספט ריבולוז, אשר עובר קרבוקסילציה נוספת על ידי שילוב עם CO2 המוצר עם שישה פחמנים, אשר מיידי מתפרקים בעת אינטראקציה עם מולקולת מים, ויוצרים שני חלקיקים מולקולריים של חומצה פוספוגליצרית. אז החומצה הזו עוברת מהלך של הפחתה מוחלטת ביישום תגובה אנזימטית, שעבורה נדרשת נוכחות של ATP ו-NADP כדי ליצור סוכר עם שלושה פחמנים - סוכר שלושה פחמנים, טריוז או אלדהידפוספוגליצרול. כאשר שתי טריוזות כאלה מתעבות, מתקבלת מולקולת הקסוז, שיכולה להפוך לחלק אינטגרלי ממולקולת העמילן ולהתנקות באגים ברזרבה.
שלב זה מסתיים בספיגה של מולקולת CO אחת במהלך תהליך הפוטוסינתזה2 ושימוש בשלוש מולקולות ATP וארבעה אטומי H. הקסוז פוספט מתאים את עצמו לתגובות של מחזור הפוספט הפנטוז, נוצר מחדש פוספט ריבולוז, שיכול להשתלב מחדש עם מולקולת חומצה פחמנית אחרת.
תגובות של קרבוקסילציה, שיקום, התחדשות לא יכולות להיקרא ספציפיות באופן בלעדי לתא שבו מתרחשת פוטוסינתזה. אתה גם לא יכול לומר מהו מהלך "הומוגני" של תהליכים, מכיוון שההבדל עדיין קיים - במהלך תהליך ההתאוששות, נעשה שימוש ב-NADPH, ולא OVERH.
התוספת של CO2 על ידי ribulose diphosphate מזורזת על ידי ribulose diphosphate carboxylase. תוצר התגובה הוא 3-פוספוגליצרט, המופחת על ידי NADPH2 ו-ATP לגליצראלדהיד-3-פוספט. תהליך ההפחתה מזורז על ידי glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. האחרון מומר בקלות לפוספט דיהידרוקסיאצטון. נוצר ביספוספט פרוקטוז. חלק מהמולקולות שלו לוקחות חלק בתהליך ההתחדשות של ריבולוז דיפוספט, סוגרת את המחזור, והחלק השני משמש ליצירת מאגרי פחמימות בתאי הפוטוסינתזה, כלומר מתרחשת פוטוסינתזה של פחמימות.
אנרגיית אור נחוצה עבור זרחון וסינתזה של חומרים אורגנייםמקור, ואנרגיית החמצון של חומרים אורגניים נחוצה עבור זרחון חמצוני. זו הסיבה שהצמחייה מספקת חיים לבעלי חיים ושאר אורגניזמים שהם הטרוטרופיים.
פוטוסינתזה בתא צמחי מתרחשת בצורה זו. המוצר שלו הוא פחמימות, הנחוצות ליצירת שלדי פחמן של חומרים רבים של נציגי עולם הצומח, שמקורם אורגני.
חומרים מסוג חנקן-אורגני נטמעים באורגניזמים פוטוסינתטיים עקב הפחתת החנקות האנאורגניות, וגופרית - עקב הפחתת הסולפטים לקבוצות סולפהדריליות של חומצות אמינו. מספק היווצרות של חלבונים, חומצות גרעין, שומנים, פחמימות, קו-פקטורים, כלומר פוטוסינתזה. מה זה "מבחר" של חומרים חיוני לצמחים כבר הודגש, אבל לא נאמרה מילה על תוצרי הסינתזה המשנית, שהם חומרים רפואיים יקרי ערך (פלבנואידים, אלקלואידים, טרפנים, פוליפנולים, סטרואידים, חומצות אורגניות ועוד.). לכן, בלי להגזים, אפשר לומר שפוטוסינתזה היא המפתח לחיים של צמחים, בעלי חיים ואנשים.
