كيف وأين تتم عملية التمثيل الضوئي في النباتات؟ ما يتكون نتيجة لعملية التمثيل الضوئي.

- تركيب المواد العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء مع الاستخدام الإلزامي للطاقة الخفيفة:

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

في النباتات المرتفعة ، يكون جهاز التمثيل الضوئي ورقة ، وعضيات التمثيل الضوئي هي البلاستيدات الخضراء (بنية البلاستيدات الخضراء - المحاضرة رقم 7). يتم بناء أصباغ التمثيل الضوئي في أغشية ثيلاكويد البلاستيدات الخضراء: الكلوروفيل والكاروتينات. هناك عدة أنواع مختلفة من الكلوروفيل ( ا ب ت ث) ، أهمها الكلوروفيل أ... في جزيء الكلوروفيل ، يمكن للمرء أن يميز "رأس" بورفيرين مع ذرة المغنيسيوم في المركز و "ذيل" فيتول. "رأس" البورفيرين هو هيكل مسطح ، محبة للماء وبالتالي يقع على سطح الغشاء الذي يواجه الوسط المائي للسدى. الذيل phytol هو مسعور وبسبب هذا 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 ثيلاكويد أنظمة الصور... تحتوي النباتات والطحالب الخضراء المزرقة على نظام ضوئي -1 ونظام ضوئي -2 ، وتحتوي البكتيريا الضوئي على نظام ضوئي -1. يستطيع النظام الضوئي 2 فقط تحلل الماء مع إطلاق الأكسجين وأخذ الإلكترونات من هيدروجين الماء.

التمثيل الضوئي عملية معقدة متعددة المراحل. تنقسم تفاعلات التمثيل الضوئي إلى مجموعتين: ردود الفعل المرحلة الخفيفة وردود الفعل المرحلة المظلمة.

المرحلة الخفيفة

تحدث هذه المرحلة فقط في وجود الضوء في أغشية thylakoids بمشاركة الكلوروفيل وبروتينات نقل الإلكترون وإنزيم ATP. تحت تأثير كمية من الضوء ، تكون إلكترونات الكلوروفيل متحمسة ، وتترك الجزيء وتدخل الجانب الخارجي من غشاء ثيلاكويد ، الذي يصبح في النهاية مشحونًا بشكل سلبي. يتم تقليل جزيئات الكلوروفيل المؤكسدة عن طريق أخذ الإلكترونات من الماء الموجود في الفضاء داخل الجفن. هذا يؤدي إلى انهيار أو تحلل الماء:

ضوء H 2 O + Q → H + + OH -.

تتبرع أيونات الهيدروكسيل بإلكتروناتها ، وتتحول إلى جذور تفاعلية.

OH - → .OH + e -.

يتحد الراديكاليون OH لتكوين الماء والأكسجين الحر:

4NO. → 2H 2 O + O 2.

في هذه الحالة ، تتم إزالة الأكسجين إلى البيئة الخارجية ، وتتراكم البروتونات داخل ثايلاكويد في "خزان البروتون". ونتيجة لذلك ، يتم شحن غشاء ثيلاكويد من جهة بشكل إيجابي بسبب H + ، من ناحية أخرى بسبب الإلكترونات ، يتم شحنه بشكل سلبي. عندما يصل الفرق المحتمل بين الجانبين الخارجي والداخلي لغشاء ثيلاكويد إلى 200 مللي فولت ، يتم دفع البروتونات عبر قنوات ATP synthetase ويحدث الفسفرة لـ ADP إلى ATP ؛ يستخدم الهيدروجين الذري لتقليل الحامل المحدد NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) إلى NADPH 2:

2Н + + 2е - + NADP → NADPH 2.

وبالتالي ، يحدث التحلل الضوئي للماء خلال مرحلة الضوء ، والتي يصاحبها ثلاث عمليات مهمة: 1) تركيب ATP. 2) تشكيل NADP · H 2 ؛ 3) تكوين الأكسجين. ينتشر الأكسجين في الغلاف الجوي ، يتم نقل ATP و NADP · H 2 إلى سدى الكلوروبلاست والمشاركة في عمليات المرحلة المظلمة.

1 - سدى البلاستيدات الخضراء ؛ 2 - جرانا ثايلاكويد.

المرحلة المظلمة

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

التفاعل الأول في هذه السلسلة هو تثبيت ثاني أكسيد الكربون. زبال ثاني أكسيد الكربون هو سكر خماسي الكربون ثنائي فوسفات الريبولوز (RiBF) ؛ يحفز تفاعل الإنزيم كاربوكسيلاز ثنائي الفوسفات الريبولوز (RuBP carboxylase). نتيجة الكربوكسيل من ثنائي فوسفات الريبولوز ، يتشكل مركب غير مستقر من ستة كربون ، يتحلل على الفور إلى جزيئين حمض الفسفوجليسريك (FGK). ثم تحدث دورة من التفاعلات التي يتم فيها تحويل حمض الفسفوجليسريك إلى جلوكوز من خلال سلسلة من المنتجات الوسيطة. تستخدم هذه التفاعلات طاقات ATP و NADP · H 2 المتكونة في المرحلة الخفيفة ؛ تسمى دورة ردود الفعل هذه "دورة كالفين":

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

بالإضافة إلى الجلوكوز ، في عملية التمثيل الضوئي ، يتم تكوين مونومرات أخرى من المركبات العضوية المعقدة - الأحماض الأمينية ، الجلسرين والأحماض الدهنية ، النيوكليوتيدات. حاليًا ، يتم تمييز نوعين من عملية التمثيل الضوئي: C 3 - و C 4 - التمثيل الضوئي.

ج 3 التمثيل الضوئي

هذا هو نوع من التمثيل الضوئي حيث يكون المنتج الأول عبارة عن مركبات ثلاثية الكربون (C 3). تم اكتشاف البناء الضوئي C 3 في وقت سابق من C 4 التمثيل الضوئي (M.Calvin). هو التمثيل الضوئي C 3 الموصوف أعلاه ، تحت عنوان "المرحلة المظلمة". السمات المميزة لعملية التمثيل الضوئي C 3: 1) يعتبر RuBP مستقبلاً لثاني أكسيد الكربون ، 2) يتم تحفيز تفاعل الكربوكسيل لـ RuBP بواسطة RuBP carboxylase ، 3) نتيجة لعملية carboxylation لـ RuBP ، يتم تكوين مركب سداسي الكربون ، والذي يتحلل إلى اثنين من FHA. تمت استعادة FGK إلى ثلاثي الفوسفات (TF). يذهب جزء من TF إلى تجديد RiBP ، ويتم تحويل الجزء إلى جلوكوز.

1 - البلاستيدات الخضراء ؛ 2 - البيروكسيزوم ؛ 3 - الميتوكوندريا.

وهو امتصاص الأكسجين المعتمد على الضوء وتطور ثاني أكسيد الكربون. في بداية القرن الماضي ، وجد أن الأكسجين يقمع التمثيل الضوئي. كما اتضح ، بالنسبة لـ RiBP carboxylase ، يمكن أن تكون الركيزة ليس فقط ثاني أكسيد الكربون ، ولكن أيضًا الأكسجين:

О 2 + RuBP → فسفوجليكولات (2C) + FHA (3C).

يسمى الإنزيم RiBP-oxygenase. الأكسجين مثبط تنافسي لتثبيت ثاني أكسيد الكربون. تنقسم مجموعة الفوسفات ويصبح الفوسفوجليكولات هو الجليكولات التي يستخدمها النبات. يدخل البيروكسيزوم ، حيث يتأكسد إلى الجلايسين. يدخل الجلايسين الميتوكوندريا ، حيث يتأكسد إلى سيرين ، مع فقدان الكربون الثابت بالفعل في شكل ثاني أكسيد الكربون. ونتيجة لذلك ، يتم تحويل جزيئين من جليكولات (2C + 2C) إلى FHA (3C) و CO 2. يؤدي التنفس الضوئي إلى انخفاض في محصول نباتات C 3 بنسبة 30-40٪ ( ج 3 - نباتات - نباتات تتميز بعملية التمثيل الضوئي C 3).

التمثيل الضوئي C 4 - التمثيل الضوئي ، حيث يكون المنتج الأول عبارة عن مركبات من أربعة كربون (C 4). في عام 1965 ، وجد أنه في بعض النباتات (قصب السكر ، والذرة ، والذرة الرفيعة ، والدخن) ، فإن المنتجات الأولى لعملية التمثيل الضوئي هي أحماض من أربعة كربون. تم تسمية هذه النباتات مع 4 نباتات... في عام 1966 ، أظهر العلماء الأستراليون هاتش وسلاك أن نباتات C 4 لا تحتوي تقريبًا على تنفس ضوئي وهي أكثر كفاءة في امتصاص ثاني أكسيد الكربون. بدأ يسمى مسار تحويل الكربون في مصانع C 4 بواسطة هاتش سلاك.

بالنسبة للنباتات C 4 ، فإن البنية التشريحية الخاصة للورقة مميزة. جميع حزم الأوعية الدموية محاطة بطبقة مزدوجة من الخلايا: الطبقة الخارجية هي خلايا الميزوفيل ، الداخلية هي خلايا غمد. يتم إصلاح ثاني أكسيد الكربون في السيتوبلازم لخلايا الميزوفيل ، المتقبل الفسفوينول بيروفات (PEP ، 3C) ، نتيجة ل carboxylation من PEP ، يتم تشكيل oxaloacetate (4C). يتم تحفيز العملية PEP كاربوكسيلاز... على عكس RuBP carboxylase ، فإن PEP carboxylase له تقارب كبير لثاني أكسيد الكربون ، والأهم من ذلك ، لا يتفاعل مع O 2. في البلاستيدات الخضراء في الميزوفيل هناك العديد من الحبوب ، حيث تكون تفاعلات المرحلة الضوئية نشطة. في البلاستيدات الخضراء لخلايا الغلاف ، تحدث تفاعلات المرحلة المظلمة.

يتم تحويل Oxaloacetate (4C) إلى مالات ، والتي يتم نقلها من خلال plasmodesmata إلى خلايا الغلاف. هنا يتم نزع الكربوكسيل والجفاف لتشكيل البيروفات ، CO 2 و NADPH 2.

يعود البيروفات إلى خلايا الميزوفيل ويتم تجديده على حساب طاقة ATP في PEP. يتم إصلاح ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى بواسطة كاربوكسيلاز RiBP مع تكوين FHA. يتطلب تجديد PEP طاقة ATP ، وبالتالي ، يحتاج ضعف الطاقة تقريبًا كما هو الحال مع عملية التمثيل الضوئي C 3.

أهمية البناء الضوئي

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

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

التخليق الكيميائي

يُطلق على تخليق المركبات العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء ، والذي لا يتم بسبب طاقة الضوء ، ولكن بسبب طاقة أكسدة المواد غير العضوية ، التخليق الكيميائي... تنتمي بعض أنواع البكتيريا إلى كائنات عضوية كيميائية.

بكتيريا النترجة تتأكسد الأمونيا إلى النيتروز ثم إلى حمض النتريك (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

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

بكتيريا الكبريت أكسدة كبريتيد الهيدروجين إلى كبريت أو حامض 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 ، التي يتم تخزينها بواسطة البكتيريا في شكل روابط ATP عالية الطاقة. يستخدم ATP لتوليف المواد العضوية ، والتي تستمر بطريقة مشابهة لتفاعلات المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي.

تساهم بكتيريا التخليق الكيميائي في تراكم المواد المعدنية في التربة ، وتحسين خصوبة التربة ، وتعزيز معالجة مياه الصرف الصحي ، وما إلى ذلك.

اذهب إلى محاضرات رقم 11 "مفهوم التمثيل الغذائي. التخليق الحيوي للبروتين "

اذهب إلى محاضرات رقم 13 "طرق تقسيم الخلايا حقيقية النواة: الانقسام الفتيلي والانقسام الاختزالي والميتوز"

كل شيء حي على هذا الكوكب يحتاج إلى الغذاء أو الطاقة من أجل البقاء. تتغذى بعض الكائنات الحية على مخلوقات أخرى ، في حين أن البعض الآخر يمكن أن ينتج مغذياته الخاصة. هم أنفسهم ينتجون الطعام ، الجلوكوز ، في عملية تسمى التمثيل الضوئي.

الترابط الضوئي والتنفس مترابطان. نتيجة التمثيل الضوئي هو الجلوكوز ، الذي يتم تخزينه كطاقة كيميائية في. تأتي هذه الطاقة الكيميائية المخزنة من تحويل الكربون غير العضوي (ثاني أكسيد الكربون) إلى الكربون العضوي. تطلق عملية التنفس طاقة كيميائية مخزنة.

بالإضافة إلى المنتجات التي تنتجها ، تحتاج النباتات أيضًا إلى الكربون والهيدروجين والأكسجين من أجل البقاء. يوفر الماء الممتص من التربة الهيدروجين والأكسجين. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يتم استخدام الكربون والماء لتجميع الطعام. تحتاج النباتات أيضًا إلى النترات لصنع الأحماض الأمينية (الحمض الأميني هو أحد مكونات إنتاج البروتين). بالإضافة إلى ذلك ، يحتاجون إلى المغنيسيوم لإنتاج الكلوروفيل.

الملاحظة: تسمى الكائنات الحية التي تعتمد على الأطعمة الأخرى. تعتبر الحيوانات العاشبة مثل الأبقار والنباتات التي تأكل الحشرات أمثلة على التغاير. تسمى الكائنات الحية التي تنتج طعامها. تعتبر النباتات والطحالب الخضراء أمثلة على التغذية الذاتية.

في هذه المقالة ، ستتعلم المزيد حول كيفية حدوث التمثيل الضوئي في النباتات والظروف اللازمة لهذه العملية.

تحديد التمثيل الضوئي

التركيب الضوئي هو العملية الكيميائية التي تنتج من خلالها النباتات وبعض النباتات والطحالب الجلوكوز والأكسجين من ثاني أكسيد الكربون والماء ، وذلك باستخدام الضوء كمصدر للطاقة فقط.

هذه العملية مهمة للغاية للحياة على الأرض ، لأنه بفضلها يتم إطلاق الأكسجين ، الذي تعتمد عليه الحياة كلها.

لماذا تحتاج النباتات الجلوكوز (الغذاء)؟

مثل البشر والكائنات الحية الأخرى ، تحتاج النباتات أيضًا إلى الطعام لإبقائها على قيد الحياة. قيمة الجلوكوز للنباتات هي كما يلي:

• يتم استخدام الجلوكوز من عملية التمثيل الضوئي أثناء التنفس لإطلاق الطاقة التي يحتاجها النبات للعمليات الحيوية الأخرى.
• وتحول الخلايا النباتية أيضًا بعضًا من الجلوكوز إلى نشا يستخدم حسب الحاجة. لهذا السبب ، تستخدم النباتات الميتة ككتلة حيوية لأنها تخزن الطاقة الكيميائية.
• هناك حاجة أيضًا إلى الجلوكوز لصنع مواد كيميائية أخرى مثل البروتينات والدهون والسكريات النباتية اللازمة للنمو والعمليات الهامة الأخرى.

مراحل التمثيل الضوئي

تنقسم عملية البناء الضوئي إلى مرحلتين: النور والظلام.

المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي

كما يوحي الاسم ، تحتاج أطوار الضوء إلى ضوء الشمس. في التفاعلات التي تعتمد على الضوء ، يتم امتصاص طاقة ضوء الشمس بواسطة الكلوروفيل ويتم تحويلها إلى طاقة كيميائية مخزنة في شكل جزيء ناقل إلكتروني NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) وجزيء طاقة ATP (adenosine triphosphate). تحدث مراحل الضوء في أغشية ثايلاكويد داخل البلاستيدات الخضراء.

المرحلة المظلمة من التمثيل الضوئي أو دورة كالفن

في المرحلة المظلمة ، أو دورة كالفين ، توفر الإلكترونات المستثارة من مرحلة الضوء الطاقة لتشكيل الكربوهيدرات من جزيئات ثاني أكسيد الكربون. تسمى المراحل المستقلة للضوء في بعض الأحيان دورة كالفن بسبب الطبيعة الدورية للعملية.

على الرغم من أن المراحل المظلمة لا تستخدم الضوء ككاشف (ونتيجة لذلك ، يمكن أن تحدث ليلًا أو نهارًا) ، فإنها تحتاج إلى منتجات التفاعلات التي تعتمد على الضوء لتعمل. تعتمد الجزيئات المستقلة عن الضوء على جزيئات حامل الطاقة - ATP و NADPH - لإنشاء جزيئات كربوهيدرات جديدة. بعد نقل الطاقة ، تعود جزيئات حامل الطاقة إلى أطوار الضوء للحصول على إلكترونات أكثر نشاطًا. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تنشيط العديد من إنزيمات الطور المظلم بواسطة الضوء.

مخطط مرحلة البناء الضوئي

الملاحظة:وهذا يعني أن المراحل المظلمة لن تستمر إذا تم حرمان النباتات من الضوء لفترة طويلة ، لأنها تستخدم منتجات المرحلة الخفيفة.

هيكل أوراق النبات

لا يمكننا دراسة التمثيل الضوئي بشكل كامل دون معرفة المزيد عن بنية الأوراق. يتم تكييف الورقة لتلعب دورًا حيويًا في عملية البناء الضوئي.

الهيكل الخارجي للأوراق

• منطقة

واحدة من أهم ميزات النباتات هي مساحة سطحها الكبيرة. تحتوي معظم النباتات الخضراء على أوراق واسعة ومسطحة ومفتوحة يمكنها التقاط أكبر قدر ممكن من الطاقة الشمسية (ضوء الشمس) حسب الحاجة لعملية التمثيل الضوئي.

• الوريد المركزي والعناق

يتم ربط الوريد المركزي والعناق معًا وتشكيل قاعدة الورقة. تقوم السويقات بوضع الورقة بحيث تتلقى أكبر قدر ممكن من الضوء.

• ورقة شفرة

الأوراق البسيطة لها لوحة ورقة واحدة ، والأوراق المعقدة لها عدة أوراق. تعد شفرة الورقة واحدة من أهم مكونات الورقة ، والتي تشارك بشكل مباشر في عملية التمثيل الضوئي.

• عروق

شبكة من الأوردة في الأوراق تحمل المياه من السيقان إلى الأوراق. يتم توجيه الجلوكوز الذي تم إطلاقه أيضًا إلى أجزاء أخرى من النبات من الأوراق عبر الأوردة. بالإضافة إلى ذلك ، تدعم هذه الأجزاء من الألواح الصفائح المعدنية وتبقيها مسطحة للحصول على قدر أكبر من ضوء الشمس. يعتمد موقع الأوردة (الأوردة) على نوع النبات.

• قاعدة الورقة

قاعدة الورقة هي الجزء السفلي لها ، وهو مفصل بالساق. في كثير من الأحيان ، يقع زوج من الشروط في قاعدة الورقة.

• حافة الورقة

اعتمادًا على نوع النبات ، يمكن أن يكون لحافة الورقة شكل مختلف ، بما في ذلك: كامل الحواف ، مسنن ، مسنن ، حقق ، crenate ، إلخ.

• أعلى الورقة

مثل حافة الورقة ، يأتي الطرف بأشكال متنوعة ، بما في ذلك: حاد ، مستدير ، منفرج ، ممدود ، مرسوم ، إلخ.

البنية الداخلية للأوراق

فيما يلي رسم تخطيطي مماثل للهيكل الداخلي لأنسجة الأوراق:

• بشرة

تعمل البشرة كطبقة واقية رئيسية على سطح النبات. عادة ما تكون أكثر سمكًا في أعلى الورقة. يتم تغطية البشرة بمواد تشبه الشمع تحمي النبات من الماء.

• البشرة

البشرة هي طبقة الخلايا التي هي النسيج اللطيف للورقة. وظيفتها الرئيسية هي حماية الأنسجة الداخلية للورقة من الجفاف والأضرار الميكانيكية والالتهابات. كما أنها تنظم عملية تبادل الغازات والنتح.

• ميسوفيل

Mesophyll هو النسيج النباتي الرئيسي. هذا هو المكان الذي تتم فيه عملية التمثيل الضوئي. في معظم النباتات ، ينقسم الميسوفيل إلى طبقتين: الطبقة العلوية الحاجبة والأخرى الإسفنجية.

• الخلايا الواقية

خلايا الدفاع هي خلايا متخصصة في بشرة الأوراق تستخدم للتحكم في تبادل الغازات. لديهم وظيفة وقائية للثغور. تصبح مسام الثقب كبيرة عندما تكون المياه متاحة بحرية ، وإلا تصبح خلايا الدفاع بطيئة.

• ستوما

يعتمد البناء الضوئي على تغلغل ثاني أكسيد الكربون (CO2) من الهواء عبر الثغور في أنسجة الميزوفيل. الأكسجين (O2) ، المنتج كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي ، يترك النبات من خلال الثغور. عندما تكون الثغور مفتوحة ، يتم فقدان الماء عن طريق التبخر ويجب تجديده من خلال تيار النتح بماء يمتص من الجذور. تضطر النباتات إلى موازنة كمية ثاني أكسيد الكربون الممتصة من الهواء وفقدان الماء من خلال مسام الثغور.

شروط التمثيل الضوئي

فيما يلي الشروط التي تحتاجها النباتات لإجراء عملية البناء الضوئي:

• نشبع. يوجد غاز طبيعي عديم الرائحة وعديم اللون في الهواء وله تسمية علمية CO2. يتم تكوينه عند حرق الكربون والمركبات العضوية ، ويحدث أيضًا أثناء التنفس.
• ماء... مادة كيميائية سائلة صافية عديمة الرائحة والمذاق (في الظروف العادية).
• يلمع.في حين أن الضوء الاصطناعي مناسب أيضًا للنباتات ، يميل ضوء الشمس الطبيعي إلى خلق أفضل الظروف لعملية التمثيل الضوئي لأنه يحتوي على الأشعة فوق البنفسجية الطبيعية التي لها تأثير إيجابي على النباتات.
• الكلوروفيل.إنه صبغة خضراء موجودة في أوراق النبات.
• المغذيات والمعادن.المواد الكيميائية والمركبات العضوية التي تمتص جذور النبات من التربة.

ما الذي يتكون نتيجة لعملية البناء الضوئي؟

• الجلوكوز.
• الأكسجين.

(تظهر الطاقة الضوئية بين قوسين لأنها لا تهم)

الملاحظة: تحصل النباتات على ثاني أكسيد الكربون من الهواء من خلال أوراقها ، والمياه من التربة من خلال جذورها. تأتي الطاقة الضوئية من الشمس. يتم إطلاق الأكسجين الناتج في الهواء من الأوراق. يمكن تحويل الجلوكوز الناتج إلى مواد أخرى مثل النشا ، والذي يستخدم كمخزن للطاقة.

إذا كانت العوامل التي تعزز عملية التمثيل الضوئي غائبة أو موجودة بكميات غير كافية ، فقد يؤثر ذلك سلبًا على النبات. على سبيل المثال ، يخلق ضوء أقل ظروفًا مواتية للحشرات التي تأكل أوراق النبات ، ويتباطأ نقص الماء.

أين تتم عملية التمثيل الضوئي؟

يحدث التمثيل الضوئي داخل الخلايا النباتية في بلاستيدات صغيرة تسمى البلاستيدات الخضراء. تحتوي البلاستيدات الخضراء (التي توجد غالبًا في طبقة الميسوفيل) على مادة خضراء تسمى الكلوروفيل. فيما يلي الأجزاء الأخرى من الخلية التي تعمل مع البلاستيدات الخضراء لإجراء عملية التمثيل الضوئي.

تركيب الخلية النباتية

وظائف أجزاء الخلية النباتية

• : يوفر الدعم الهيكلي والميكانيكي ، ويحمي الخلايا من شكل الخلية ويحدد شكلها ، ويتحكم في معدل واتجاه النمو ، ويعطي شكلًا للنباتات.
• : يوفر منصة لمعظم العمليات الكيميائية التي تسيطر عليها الإنزيم.
• : يعمل كحاجز ، يتحكم في حركة المواد من وإلى الخلية.
• : كما هو موضح أعلاه ، فهي تحتوي على الكلوروفيل ، وهي مادة خضراء تمتص الطاقة الضوئية أثناء عملية البناء الضوئي.
• : تجويف داخل السيتوبلازم الخلوي الذي يخزن الماء.
• : يحتوي على علامة جينية (DNA) تتحكم في نشاط الخلية.

يمتص الكلوروفيل الطاقة الضوئية اللازمة لعملية التمثيل الضوئي. من المهم ملاحظة أنه لا يتم امتصاص كل أطوال موجات الضوء الملونة. تمتص النباتات في المقام الأول الموجات الحمراء والزرقاء - فهي لا تمتص الضوء في النطاق الأخضر.

ثاني أكسيد الكربون من التمثيل الضوئي

تحصل النباتات على ثاني أكسيد الكربون من الهواء من خلال أوراقها. يتسرب ثاني أكسيد الكربون من خلال فتحة صغيرة في أسفل الورقة - الثغور.

يحتوي الجانب السفلي من الورقة على خلايا متباعدة بشكل فضفاض للسماح لثاني أكسيد الكربون بالوصول إلى الخلايا الأخرى في الأوراق. كما يسمح للأكسجين الناتج أثناء عملية البناء الضوئي بمغادرة الورقة بسهولة.

يوجد ثاني أكسيد الكربون في الهواء الذي نتنفسه بتركيزات منخفضة جدًا وهو عامل ضروري في المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي.

الضوء في عملية البناء الضوئي

عادة ما تحتوي الورقة على مساحة سطح كبيرة ، لذلك يمكنها امتصاص الكثير من الضوء. سطحه العلوي محمي من فقدان الماء والمرض والطقس بطبقة شمعية (بشرة). الجزء العلوي من الورقة هو حيث يسقط الضوء. تسمى طبقة الميزوفيل باليسيد. يتم تكييفه لامتصاص كمية كبيرة من الضوء ، لأنه يحتوي على العديد من البلاستيدات الخضراء.

في مراحل الضوء ، تزداد عملية البناء الضوئي مع المزيد من الضوء. يتأين المزيد من جزيئات الكلوروفيل ، ويتولد المزيد من ATP و NADPH إذا كانت الفوتونات الضوئية مركزة على الورقة الخضراء. على الرغم من أن الضوء مهم للغاية في مراحل الضوء ، تجدر الإشارة إلى أن الكميات الزائدة منه يمكن أن تتلف الكلوروفيل وتقليل التمثيل الضوئي.

لا تعتمد مراحل الضوء بشكل كبير على درجة الحرارة أو الماء أو ثاني أكسيد الكربون ، على الرغم من أنها كلها مطلوبة لإكمال عملية البناء الضوئي.

الماء أثناء البناء الضوئي

تحصل النباتات على الماء الذي تحتاجه لعملية التمثيل الضوئي من خلال جذورها. لديهم شعر جذر ينمو في التربة. الجذور لها مساحة سطح كبيرة وجدران رقيقة تسمح للماء بالمرور بسهولة.

تظهر الصورة النباتات وخلاياها بالماء الكافي (يسار) ونقص الماء (يمين).

الملاحظة: لا تحتوي الخلايا الجذرية على البلاستيدات الخضراء لأنها عادة ما تكون في الظلام ولا يمكنها التمثيل الضوئي.

إذا لم يمتص النبات كمية كافية من الماء ، فإنه يذبل. بدون الماء ، لن يتمكن النبات من التمثيل الضوئي بسرعة كافية ، وقد يموت حتى.

ما مدى أهمية المياه للنباتات؟

• يوفر المعادن الذائبة التي تدعم صحة النبات ؛
• وسيلة للنقل ؛
• يدعم الاستقرار والاستقامة ؛
• يبرد ويرطب.
• يجعل من الممكن إجراء تفاعلات كيميائية مختلفة في الخلايا النباتية.

أهمية التمثيل الضوئي في الطبيعة

تستخدم عملية الكيمياء الحيوية لعملية التمثيل الضوئي الطاقة من ضوء الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين وجلوكوز. يستخدم الجلوكوز كعناصر بناء في النباتات لنمو الأنسجة. وبالتالي ، فإن التمثيل الضوئي هو الطريقة التي يتم بها تكوين الجذور والسيقان والأوراق والزهور والفواكه. بدون عملية التمثيل الضوئي ، لا يمكن للنباتات أن تنمو أو تتكاثر.

• المنتجين

نظرًا لقدرتها على التمثيل الضوئي ، تُعرف النباتات كمنتجين وتشكل العمود الفقري لكل سلسلة غذائية تقريبًا على وجه الأرض. (الطحالب تعادل النباتات فيها). كل الطعام الذي نأكله يأتي من كائنات عضوية ضوئية. نتغذى على هذه النباتات مباشرة أو نأكل حيوانات مثل الأبقار أو الخنازير التي تستهلك الأطعمة النباتية.

• العمود الفقري للسلسلة الغذائية

داخل الأنظمة المائية ، تشكل النباتات والطحالب أيضًا العمود الفقري للسلسلة الغذائية. تعمل الطحالب كغذاء لها ، والتي بدورها تعمل كمصدر للغذاء لكائنات أكبر. بدون التمثيل الضوئي في البيئة المائية ، ستكون الحياة مستحيلة.

• إزالة ثاني أكسيد الكربون

يحول البناء الضوئي ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يدخل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي إلى النبات ثم يتم إطلاقه كأكسجين. في عالم اليوم حيث ترتفع مستويات ثاني أكسيد الكربون بمعدل ينذر بالخطر ، فإن أي عملية تزيل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي مهمة بيئياً.

• دورة المغذيات

تلعب النباتات وغيرها من الكائنات الحية الضوئية دورًا حيويًا في دورة المغذيات. يتم تثبيت النيتروجين في الهواء في الأنسجة النباتية ويصبح متاحًا لصنع البروتينات. يمكن أيضًا دمج العناصر النزرة الموجودة في التربة في الأنسجة النباتية وإتاحتها للحيوانات العاشبة أسفل السلسلة الغذائية.

• إدمان التمثيل الضوئي

يعتمد البناء الضوئي على شدة وجودة الضوء. عند خط الاستواء ، حيث يكون ضوء الشمس وفيرًا على مدار العام والماء ليس عاملاً مقيدًا ، تنمو النباتات بمعدلات عالية ويمكن أن تصبح كبيرة جدًا. على العكس من ذلك ، يكون التمثيل الضوئي في الأجزاء الأعمق من المحيط أقل شيوعًا لأن الضوء لا يخترق هذه الطبقات ، ونتيجة لذلك ، فإن هذا النظام البيئي أكثر تعقيدًا.

التعريف: البناء الضوئي هو عملية تكوين المواد العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء ، في الضوء ، مع إطلاق الأكسجين.

شرح موجز لعملية التمثيل الضوئي

تتضمن عملية التمثيل الضوئي:

1) البلاستيدات الخضراء ،

3) ثاني أكسيد الكربون ،

5) درجة الحرارة.

في النباتات المرتفعة ، يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء - بلاستيدات على شكل بيضاوي (عضيات شبه مستقلة) تحتوي على صبغة الكلوروفيل ، بسبب اللون الأخضر الذي تحتوي أجزاء النبات أيضًا على لون أخضر.

في الطحالب ، يتم تضمين الكلوروفيل في chromatophores (الخلايا المحتوية على الصبغ والخلايا العاكسة للضوء). الطحالب البنية والحمراء التي تعيش على عمق كبير ، حيث لا يصل ضوء الشمس بشكل جيد ، لديها أصباغ أخرى.

إذا نظرت إلى الهرم الغذائي لجميع الكائنات الحية ، فإن الكائنات الحية الضوئية في قاعها ، كجزء من autotrophs (الكائنات الحية التي توليف المواد العضوية من غير عضوية). لذلك ، فهي مصدر للغذاء لجميع أشكال الحياة على هذا الكوكب.

أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي. في الغلاف الجوي العلوي ، يتكون الأوزون منه. يحمي درع الأوزون سطح الأرض من الأشعة فوق البنفسجية القاسية ، مما يسمح للحياة بالهروب من البحر إلى البر.

الأكسجين ضروري لتنفس النباتات والحيوانات. عندما يتأكسد الجلوكوز بمشاركة الأكسجين ، تخزن الميتوكوندريا طاقة أكثر من 20 مرة من دونها. وهذا يجعل استخدام الطعام أكثر كفاءة ، مما يؤدي إلى معدلات أيض عالية في الطيور والثدييات.

وصف أكثر تفصيلاً لعملية التمثيل الضوئي للنباتات

تقدم عملية البناء الضوئي:

تبدأ عملية البناء الضوئي بدخول الضوء على البلاستيدات الخضراء - العضيات الخلوية شبه المستقلة التي تحتوي على صبغة خضراء. تحت تأثير الضوء ، تبدأ البلاستيدات الخضراء في استهلاك الماء من التربة ، فتكسرها إلى هيدروجين وأكسجين.

يتم إطلاق جزء من الأكسجين في الغلاف الجوي ، بينما يذهب الجزء الآخر إلى عمليات الأكسدة في النبات.

يتحد السكر مع النيتروجين والكبريت والفوسفور القادم من التربة ، وبهذه الطريقة تنتج النباتات الخضراء النشا والدهون والبروتينات والفيتامينات والمركبات المعقدة الأخرى اللازمة لحياتهم.

من الأفضل أن يتم التمثيل الضوئي تحت تأثير ضوء الشمس ، ولكن بعض النباتات يمكن أن تكون راضية بالضوء الاصطناعي.

وصف معقد لآليات البناء الضوئي للقارئ المتقدم

حتى الستينيات من القرن العشرين ، كان العلماء يعرفون آلية واحدة فقط لإصلاح ثاني أكسيد الكربون - عن طريق مسار فوسفات C3-pentose. ومع ذلك ، تمكنت مجموعة من العلماء الأستراليين مؤخرًا من إثبات أنه في بعض النباتات يحدث انخفاض ثاني أكسيد الكربون من خلال دورة حمض C4-dicarboxylic.

في النباتات ذات تفاعل C3 ، يحدث التمثيل الضوئي بشكل أكثر نشاطًا في ظل ظروف درجات الحرارة والضوء المعتدلة ، خاصة في الغابات والأماكن المظلمة. تشمل هذه النباتات جميع النباتات المزروعة ومعظم الخضروات. إنها تشكل أساس النظام الغذائي البشري.

في النباتات التي لها تفاعل C4 ، يحدث التمثيل الضوئي بشكل أكثر نشاطًا تحت درجة حرارة عالية وظروف الإضاءة. وتشمل هذه النباتات ، على سبيل المثال ، الذرة والذرة الرفيعة وقصب السكر ، التي تنمو في المناخات الدافئة والاستوائية.

تم اكتشاف عملية التمثيل الغذائي للنبات في الآونة الأخيرة ، عندما كان من الممكن معرفة أنه في بعض النباتات ، التي تحتوي على أنسجة خاصة لتخزين المياه ، يتراكم ثاني أكسيد الكربون في شكل أحماض عضوية ويتم تثبيته في الكربوهيدرات فقط بعد يوم واحد. تساعد هذه الآلية النباتات على الحفاظ على إمدادات المياه.

كيف تتم عملية التمثيل الضوئي

يمتص النبات الضوء بمادة خضراء تسمى الكلوروفيل. تم العثور على الكلوروفيل في البلاستيدات الخضراء ، والتي توجد في السيقان أو الفواكه. تكون وفيرة بشكل خاص في الأوراق ، لأنه بسبب هيكلها المسطح للغاية ، يمكن أن تجذب الورقة الكثير من الضوء ، وبالتالي ، تتلقى طاقة أكثر بكثير لعملية التمثيل الضوئي.

بعد الامتصاص ، يكون الكلوروفيل في حالة متحمس وينقل الطاقة إلى جزيئات أخرى في جسم النبات ، خاصة تلك التي تشارك مباشرة في عملية التمثيل الضوئي. تتم المرحلة الثانية من عملية البناء الضوئي دون المشاركة الإلزامية للضوء وتتكون من الحصول على رابطة كيميائية بمشاركة ثاني أكسيد الكربون التي يتم الحصول عليها من الهواء والماء. في هذه المرحلة ، يتم تصنيع مواد مختلفة مفيدة جدًا للحياة ، مثل النشا والجلوكوز.

تستخدم النباتات هذه المواد العضوية لتغذية أجزائها المختلفة ، وكذلك للحفاظ على الحياة الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم الحصول على هذه المواد عن طريق الحيوانات ، وتتغذى على النباتات. يحصل الناس أيضًا على هذه المواد عن طريق تناول الأطعمة ذات الأصل الحيواني والنباتي.

شروط التمثيل الضوئي

يمكن أن يحدث التركيب الضوئي تحت تأثير الضوء الاصطناعي وضوء الشمس. كقاعدة ، في الطبيعة ، تعمل النباتات بشكل مكثف في فترة الربيع والصيف ، عندما يكون هناك الكثير من ضوء الشمس الضروري. في الخريف ، يكون هناك ضوء أقل ، يتم تقصير اليوم ، تتحول الأوراق أولاً إلى اللون الأصفر ثم تسقط. ولكن بمجرد ظهور شمس الربيع الدافئة ، تظهر أوراق الشجر الخضراء مرة أخرى وتستأنف "المصانع" الخضراء عملها مرة أخرى لتوفير الأكسجين ، وهو ضروري للغاية للحياة ، وكذلك العديد من العناصر الغذائية الأخرى.

تعريف بديل لعملية التمثيل الضوئي

التركيب الضوئي (من الضوء اليوناني القديم - الضوء والتوليف - الاتصال ، الطي ، التجليد ، التوليف) - عملية تحويل طاقة الضوء إلى طاقة الروابط الكيميائية للمواد العضوية في الضوء عن طريق المغذيات الضوئية بمشاركة أصباغ التمثيل الضوئي (الكلوروفيل في النباتات والبكتيريا والكلوروفيل البكتيري في البكتيريا ). في فسيولوجيا النبات الحديث ، غالبًا ما يُفهم التمثيل الضوئي على أنه وظيفة تغذوية ضوئية - مجموعة من عمليات امتصاص وتحويل واستخدام طاقة الكميات الخفيفة في التفاعلات الإندروجينية المختلفة ، بما في ذلك تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد عضوية.

مراحل التمثيل الضوئي

التركيب الضوئي عملية معقدة نوعًا ما وتتضمن مرحلتين: الضوء ، الذي يحدث دائمًا حصريًا في الضوء والظلام. تتم جميع العمليات داخل البلاستيدات الخضراء على الأعضاء الصغيرة الخاصة - تيلاكوديا. خلال مرحلة الضوء ، يمتص الكلوروفيل كمية من الضوء ، مما يؤدي إلى تكوين جزيئات ATP و NADPH. في هذه الحالة ، يتحلل الماء ، وتشكيل أيونات الهيدروجين وإطلاق جزيء الأكسجين. السؤال الذي يطرح نفسه ، ما هي هذه المواد الغامضة غير المفهومة: ATP و NADH؟

ATP هو جزيء عضوي خاص موجود في جميع الكائنات الحية ويشار إليه غالبًا بعملة "الطاقة". هذه الجزيئات هي التي تحتوي على روابط عالية الطاقة وهي مصدر الطاقة لأي توليف عضوي وعمليات كيميائية في الجسم. حسنًا ، NADPH هو في الواقع مصدر للهيدروجين ، يتم استخدامه مباشرة في تركيب المواد العضوية عالية الوزن الجزيئي - الكربوهيدرات ، والتي تحدث في المرحلة الثانية المظلمة من عملية التمثيل الضوئي باستخدام ثاني أكسيد الكربون.

المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي

تحتوي البلاستيدات الخضراء على الكثير من جزيئات الكلوروفيل ، وتمتص جميعها أشعة الشمس. في الوقت نفسه ، يتم امتصاص الضوء بواسطة أصباغ أخرى ، لكنها غير قادرة على تنفيذ عملية التمثيل الضوئي. تحدث العملية نفسها فقط في بعض جزيئات الكلوروفيل ، التي يوجد منها القليل جدًا. تشكل الجزيئات الأخرى من الكلوروفيل والكاروتينات والمواد الأخرى هوائيًا خاصًا ، بالإضافة إلى مجمعات الحصاد الخفيفة (SSC). فهي ، مثل الهوائيات ، تمتص كمية خفيفة وتنقل الإثارة إلى مراكز أو مصائد رد فعل خاصة. تقع هذه المراكز في النظم الضوئية ، حيث تحتوي النباتات على اثنين: النظام الضوئي الثاني والنظام الضوئي الأول. وتحتوي على جزيئات الكلوروفيل الخاصة: على التوالي ، في النظام الضوئي الثاني - P680 ، وفي النظام الضوئي I - P700. يمتص ضوء هذا الطول الموجي بالضبط (680 و 700 نانومتر).

يوضح الرسم البياني كيف يبدو كل شيء ويحدث أثناء مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي.

في الشكل ، نرى نظامين ضوئيين مع الكلوروفيلز P680 و P700. يوضح الشكل أيضًا الحاملات التي يتم من خلالها نقل الإلكترونات.

لذا: كل من جزيئات الكلوروفيل في النظامين الضوئيين تمتص كمية من الضوء ومتحمسة. إلكترون e- (أحمر في الشكل) يذهب إلى مستوى طاقة أعلى.

تمتلك الإلكترونات المثارة طاقة عالية جدًا ، تنكسر وتدخل سلسلة حاملة خاصة ، تقع في أغشية ثيلاكويدس - الهياكل الداخلية للبلاستيدات الخضراء. يوضح الشكل أنه من النظام الضوئي الثاني من الكلوروفيل P680 يمر الإلكترون إلى بلاستوكينون ، ومن النظام الضوئي الأول من الكلوروفيل P700 إلى فيريدوكسين. في جزيئات الكلوروفيل نفسها ، بدلاً من الإلكترونات بعد انفصالها ، تتشكل ثقوب زرقاء ذات شحنة موجبة. ماذا أفعل؟

للتعويض عن نقص الإلكترون ، يقبل جزيء الكلوروفيل P680 للنظام الضوئي الثاني الإلكترونات من الماء ، بينما يتم تكوين أيونات الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك ، بسبب تحلل الماء يتشكل الأكسجين المنطلق في الغلاف الجوي. وجزيء الكلوروفيل P700 ، كما يتضح من الشكل ، يعوض نقص الإلكترونات من خلال نظام الناقلات من النظام الضوئي الثاني.

بشكل عام ، بغض النظر عن مدى صعوبة ذلك ، فهذه هي الطريقة التي تمضي بها مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي ، جوهرها الرئيسي يكمن في نقل الإلكترونات. يمكن أيضًا أن نلاحظ من الشكل أنه بالتوازي مع نقل الإلكترونات ، تتحرك أيونات الهيدروجين H + عبر الغشاء ، وتتراكم داخل ثايلاكويد. نظرًا لوجود الكثير منها هناك ، فإنها تتحرك إلى الخارج بمساعدة عامل اقتران خاص ، وهو برتقالي في الشكل ، يظهر على اليمين ويشبه الفطر.

في الختام ، نرى المرحلة النهائية من نقل الإلكترون ، والنتيجة هي تكوين مركب NADH المذكور أعلاه. وبسبب نقل أيونات H + ، يتم تصنيع عملة طاقة - ATP (كما هو موضح في الشكل على اليمين).

لذلك ، اكتملت مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي ، وتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي ، وتم تكوين ATP و NADH. ماذا بعد؟ أين العضوي الموعود؟ ثم تأتي المرحلة المظلمة التي تتكون بشكل رئيسي من العمليات الكيميائية.

المرحلة المظلمة من التمثيل الضوئي

بالنسبة للمرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي ، فإن المكون الإلزامي هو ثاني أكسيد الكربون - CO2. لذلك ، يجب على النبات امتصاصه باستمرار من الغلاف الجوي. لهذا الغرض ، هناك هياكل خاصة على سطح الورقة - الثغور. عندما تفتح ، يدخل CO2 داخل الورقة ، ويذوب في الماء ويدخل في رد فعل المرحلة الضوئية من عملية التمثيل الضوئي.

خلال المرحلة الخفيفة ، في معظم النباتات ، يرتبط CO2 بمركب عضوي مكون من خمسة كربون (وهو عبارة عن سلسلة من خمسة جزيئات كربون) ، مما ينتج عنه جزيئين من مركب ثلاثي الكربون (3-حمض الفوسفوجليريك). لان والنتيجة الأولية هي بدقة مركبات الكربون الثلاثة هذه ؛ فالنباتات التي لها هذا النوع من التمثيل الضوئي تسمى نباتات C3.

المزيد من التوليف في البلاستيدات الخضراء صعب نوعًا ما. ونتيجة لذلك ، يتم تكوين مركب سداسي الكربون يمكن من خلاله تصنيع الجلوكوز أو السكروز أو النشا في المستقبل. يخزن النبات الطاقة في شكل هذه المواد العضوية. في الوقت نفسه ، لا يبقى سوى جزء صغير منها في الورقة ، والتي يتم استخدامها لاحتياجاتها ، في حين تنتقل بقية الكربوهيدرات في جميع أنحاء النبات ، وتذهب إلى حيث تشتد الحاجة إلى الطاقة - على سبيل المثال ، إلى نقاط النمو.

البناء الضوئي هو تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة الروابط الكيميائية مركبات العضوية.

التركيب الضوئي هو سمة النباتات ، بما في ذلك جميع الطحالب ، وعدد من بدائيات النوى ، بما في ذلك البكتيريا الزرقاء ، وبعض حقيقيات النوى أحادية الخلية.

في معظم الحالات ، ينتج التمثيل الضوئي الأكسجين (O 2) كمنتج ثانوي. ومع ذلك ، ليس هذا هو الحال دائمًا ، حيث توجد العديد من المسارات المختلفة لعملية التمثيل الضوئي. في حالة إطلاق الأكسجين ، فإن مصدره هو الماء ، الذي تنفصل منه ذرات الهيدروجين لاحتياجات التمثيل الضوئي.

يتكون التمثيل الضوئي من مجموعة متنوعة من التفاعلات التي تنطوي على أصباغ مختلفة ، والإنزيمات ، والإنزيمات المساعدة ، وما إلى ذلك. والأصباغ الرئيسية هي الكلوروفيل ، بالإضافة إليها - الكاروتينات والفيكوبيلين.

في الطبيعة ، هناك طريقتان شائعتان لعملية التمثيل الضوئي للنبات: C 3 و C 4. الكائنات الحية الأخرى لها خصوصية ردود الفعل الخاصة بها. كل شيء يوحد هذه العمليات المختلفة تحت مصطلح "التمثيل الضوئي" - في كل منهم ، في المجموع ، يتم تحويل طاقة الفوتونات إلى رابطة كيميائية. للمقارنة: أثناء التخليق الكيميائي ، يتم تحويل طاقة الرابطة الكيميائية لبعض المركبات (غير العضوية) إلى أخرى - عضوية.

هناك مرحلتان لعملية التمثيل الضوئي - الفاتح والداكن. يعتمد الأول على إشعاع الضوء (hν) ، وهو ضروري لاستمرار التفاعلات. المرحلة المظلمة مستقلة عن الضوء.

في النباتات ، يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء. نتيجة لجميع التفاعلات ، يتم تكوين المواد العضوية الأولية ، والتي يتم من خلالها تصنيع الكربوهيدرات والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية ، وما إلى ذلك. وعادة ما يتم كتابة التفاعل الكلي لعملية التمثيل الضوئي فيما يتعلق بـ الجلوكوز - المنتج الأكثر شيوعًا لعملية التمثيل الضوئي:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

لا تؤخذ ذرات الأكسجين التي يتكون منها جزيء O 2 من ثاني أكسيد الكربون ، ولكن من الماء. ثاني أكسيد الكربون هو مصدر للكربونأكثر أهمية. بفضل ربطها ، تتمتع النباتات بفرصة لتجميع المواد العضوية.

التفاعل الكيميائي أعلاه معمم وتراكمي. إنها بعيدة عن جوهر العملية. وبهذه الطريقة لا يتكون الجلوكوز من ستة جزيئات منفصلة لثاني أكسيد الكربون. يحدث ربط ثاني أكسيد الكربون جزيءًا واحدًا في كل مرة ، والذي يرتبط أولاً بسكر الكربون الخمسة الموجود بالفعل.

تتميز بدائيات النوى بخصائصها الخاصة لعملية التمثيل الضوئي. لذلك في البكتيريا ، يكون الصبغ الرئيسي هو بكتيريا الكلوروفيل ، ولا يتم إطلاق الأكسجين ، حيث لا يتم أخذ الهيدروجين من الماء ، ولكن غالبًا من كبريتيد الهيدروجين أو مواد أخرى. في الطحالب الخضراء المزرقة ، يعتبر الكلوروفيل هو الصبغة الرئيسية ، ويتم إطلاق الأكسجين أثناء عملية البناء الضوئي.

المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي

في مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي ، يحدث تخليق ATP و NADPH 2 بسبب الطاقة المشعة. يحدث ذلك على ثيلاكويدس البلاستيدات الخضراءحيث تشكل الصبغات والإنزيمات مجمعات معقدة لعمل الدوائر الكهروكيميائية ، والتي يتم من خلالها نقل الإلكترونات وبروتونات الهيدروجين جزئياً.

تنتهي الإلكترونات في نهاية المطاف إلى أنزيم NADP ، الذي ، عندما يتم شحنه بشكل سلبي ، يجذب بعض البروتونات إلى نفسه ويتحول إلى NADP · H 2. أيضًا ، يؤدي تراكم البروتونات على جانب واحد من غشاء ثيلاكويد والإلكترونات على الجانب الآخر إلى إنشاء تدرج كهروكيميائي ، يتم استخدام إمكاناته بواسطة إنزيم ATP المركب لتجميع ATP من ADP وحمض الفوسفوريك.

الأصباغ الرئيسية لعملية التمثيل الضوئي هي الكلوروفيل المختلفة. تلتقط جزيئاتها انبعاث أطياف ضوئية معينة مختلفة جزئيًا. في هذه الحالة ، تنتقل بعض إلكترونات جزيئات الكلوروفيل إلى مستوى طاقة أعلى. هذه حالة غير مستقرة ، ومن الناحية النظرية ، يجب أن تعطي الإلكترونات من نفس الإشعاع إلى الفضاء الطاقة المتلقاة من الخارج والعودة إلى المستوى السابق. ومع ذلك ، في خلايا التمثيل الضوئي ، يتم التقاط الإلكترونات المستثارة من قبل المتقبلين ، مع انخفاض تدريجي في طاقتها ، يتم نقلها على طول سلسلة الناقل.

على أغشية ثيلاكويد ، هناك نوعان من الأنظمة الضوئية التي تنبعث منها الإلكترونات عند تعرضها للضوء. النظم الضوئية هي مجمع معقد من أصباغ الكلوروفيل في الغالب مع مركز تفاعل يتم فصل الإلكترونات منه. في النظام الضوئي ، يلتقط ضوء الشمس العديد من الجزيئات ، ولكن يتم جمع كل الطاقة في مركز التفاعل.

إلكترونات النظام الضوئي الأول ، التي تمر عبر سلسلة الناقل ، تقلل من NADP.

يتم استخدام طاقة الإلكترونات المنفصلة عن النظام الضوئي الثاني لتركيب ATP. وتملأ إلكترونات النظام الضوئي الثاني الثقوب الإلكترونية للنظام الضوئي الأول.

تمتلئ الثقوب في النظام الضوئي الثاني بالإلكترونات الناتجة عن التحلل الضوئي للمياه... يحدث التحلل الضوئي أيضًا بمشاركة الضوء ويتكون من تحلل H2O إلى بروتونات وإلكترونات وأكسجين. نتيجة للتحلل الضوئي للماء ، يتشكل الأكسجين الحر. تشارك البروتونات في إنشاء تدرج كهروكيميائي وتقليل NADP. يتلقى الكلوروفيل من النظام الضوئي الثاني الإلكترونات.

المعادلة الإجمالية التقريبية لمرحلة الضوء لعملية التمثيل الضوئي:

H 2 O + NADP + 2ADP + 2P → ½O 2 + NADP · H 2 + 2ATP

النقل الدوري للإلكترونات

ما ورد أعلاه هو ما يسمى طور ضوئي غير دوري لعملية التمثيل الضوئي... هل هناك المزيد نقل الإلكترون الدوري عندما لا يحدث تخفيض NADP... في هذه الحالة ، تنتقل الإلكترونات من النظام الضوئي إلى السلسلة الحاملة ، حيث يتم تصنيع ATP. أي أن سلسلة نقل الإلكترونات هذه تتلقى الإلكترونات من النظام الضوئي الأول ، وليس الثاني. يقوم النظام الضوئي الأول ، كما كان ، بتنفيذ دورة: تعود الإلكترونات المنبعثة إليه. في الطريق ، ينفقون جزءًا من طاقتهم لتجميع ATP.

الفسفرة الضوئية و الفسفرة التأكسدية

يمكن مقارنة المرحلة الضوئية من عملية التمثيل الضوئي بمرحلة التنفس الخلوي - الفسفرة التأكسدية ، والتي تحدث على الشرايين الميتوكوندريا. هناك أيضًا ، يحدث توليف ATP بسبب نقل الإلكترونات والبروتونات على طول سلسلة الناقل. ومع ذلك ، في حالة التمثيل الضوئي ، يتم تخزين الطاقة في ATP ليس لاحتياجات الخلية ، ولكن بشكل أساسي لاحتياجات المرحلة المظلمة من التمثيل الضوئي. وإذا كانت المواد العضوية أثناء التنفس تعمل كمصدر أساسي للطاقة ، فعندئذ يكون ضوء الشمس أثناء عملية البناء الضوئي. يسمى تركيب ATP أثناء عملية التمثيل الضوئي الفسفرة الضوئيةبدلاً من الفسفرة التأكسدية.

المرحلة المظلمة من التمثيل الضوئي

للمرة الأولى ، تمت دراسة المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي بالتفصيل من قبل كالفين ، بنسون ، باسم. سميت دورة التفاعلات التي اكتشفوها لاحقًا باسم دورة كالفين ، أو التمثيل الضوئي C 3. مجموعات معينة من النباتات لها مسار تعديل ضوئي C4 ، يسمى أيضًا دورة هاتش-سلاك.

في التفاعلات المظلمة لعملية التمثيل الضوئي ، يتم تثبيت ثاني أكسيد الكربون. تحدث المرحلة المظلمة في سدى البلاستيدات الخضراء.

يحدث اختزال ثاني أكسيد الكربون بسبب طاقة ATP وقوة الاختزال لـ NADP · H 2 ، التي تكونت في تفاعلات ضوئية. بدونها ، لا يحدث تثبيت الكربون. لذلك ، على الرغم من أن المرحلة المظلمة لا تعتمد بشكل مباشر على الضوء ، إلا أنها تحدث أيضًا في الضوء.

دورة كالفين

أول رد فعل للمرحلة المظلمة هو إضافة CO 2 ( الكربوكسيله) إلى 1،5-ريبوليزوبفوسفات ( الريبولوز 1،5-ثنائي فوسفات) – الجبهة الوطنية... هذا الأخير هو الريبوز ثنائي الفوسفور. يتم تحفيز هذا التفاعل بواسطة إنزيم ريبولوز -1،5-ثنائي فوسفات كربوكسيلاز روبيسكو.

نتيجة الكربوكسيل ، يتشكل مركب غير مستقر من ستة كربون ، والذي يتحلل ، نتيجة للتحلل المائي ، إلى جزيئين من ثلاثة كربون حمض الفسفوجليسريك (FHA) - المنتج الأول لعملية التمثيل الضوئي. يسمى FHA أيضًا فسفوجليسيرات.

RuBP + CO 2 + H 2 O → 2FGK

يحتوي FHA على ثلاث ذرات كربون ، أحدها جزء من مجموعة الكربوكسيل الحمضية (-COOH):

يتكون سكر ثلاثي الكربون (فوسفات غليسيرالدهيد) من FHA ثلاثي الفوسفات (TF)، بما في ذلك بالفعل مجموعة ألدهيد (-CHO):

FHA (3-acid) → TF (3-sugar)

يستهلك هذا التفاعل طاقة ATP وقوة الاختزال لـ NADP · H 2. TF هو الكربوهيدرات الأول في عملية التمثيل الضوئي.

بعد ذلك ، يتم إنفاق معظم الفوسفات الثلاثي على تجديد ثنائي فوسفات الريبولوز (RuBP) ، والذي يستخدم مرة أخرى لربط ثاني أكسيد الكربون. ينطوي التجديد على عدد من التفاعلات المكلفة ATP التي تنطوي على فوسفات السكر مع 3 إلى 7 ذرات كربون.

في مثل هذه الدورة من RuBF تكمن دورة كالفين.

جزء أصغر من TF يتكون فيه دورة كالفن. من حيث 6 جزيئات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة ، يكون الناتج 2 جزيئات فوسفات ثلاثية. التفاعل الكلي للدورة مع منتجات المدخلات والمخرجات:

6CO 2 + 6H 2 O → 2ТФ

في هذه الحالة ، تشارك 6 جزيئات من RuBP في جزيئات الربط و 12 FHA ، والتي يتم تحويلها إلى 12 TFs ، منها 10 جزيئات تبقى في الدورة ويتم تحويلها إلى 6 جزيئات RuBP. بما أن TF عبارة عن سكر ثلاثي الكربون ، و RuBP هو سكر خماسي الكربون ، فعندما يتعلق الأمر بذرات الكربون لدينا: 10 * 3 \u003d 6 * 5. لا يتغير عدد ذرات الكربون التي توفر الدورة ، ويتم إعادة توليد كل RuBP اللازمة. وستنفق ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون في الدورة على تكوين جزيئين ثلاثي الفوسفات يغادران الدورة.

بالنسبة لدورة كالفن ، لكل 6 جزيئات CO 2 مرتبطة ، يتم إنفاق 18 جزيء ATP و 12 جزيء NADPH 2 ، والتي تم تصنيعها في تفاعلات المرحلة الخفيفة من عملية التمثيل الضوئي.

يتم إجراء الحساب لجزيئين فوسفات ثلاثيين يغادران الدورة ، لأن جزيء الجلوكوز الذي تم تكوينه لاحقًا يتضمن 6 ذرات كربون.

فوسفات ثلاثي الفوسفات (TP) هو المنتج النهائي لدورة كالفين ، ولكن لا يمكن أن يطلق عليه المنتج النهائي لعملية التمثيل الضوئي ، لأنه بالكاد يتراكم ، ولكن عند التفاعل مع المواد الأخرى ، يتحول إلى الجلوكوز والسكروز والنشا والدهون والأحماض الدهنية والأحماض الأمينية. بالإضافة إلى TF ، يلعب FGK دورًا مهمًا. ومع ذلك ، فإن ردود الفعل هذه لا تحدث فقط في كائنات التمثيل الضوئي. بهذا المعنى ، فإن المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي هي نفس دورة كالفين.

يتم تكوين السكر ستة الكربون من FHA عن طريق التحفيز الإنزيمي التدريجي الفركتوز 6 فوسفاتالذي يتحول إلى الجلوكوز... في النباتات ، يمكن بلمرة الجلوكوز في النشا والسليلوز. يشبه تركيب الكربوهيدرات العملية العكسية لتحلل السكر.

التنفس الضوئي

يمنع الأكسجين عملية التمثيل الضوئي. كلما زاد وجود O 2 في البيئة ، قل كفاءة عملية ربط CO 2. والحقيقة هي أن إنزيم الكربوكسيلاز ثنائي الفوسفات الريبولوز (روبيسكو) يمكن أن يتفاعل ليس فقط مع ثاني أكسيد الكربون ، ولكن أيضًا مع الأكسجين. في هذه الحالة ، تكون ردود الفعل المظلمة مختلفة إلى حد ما.

فوسفوجليكولات هو حمض فوسفوجليكوليك. تنقسم مجموعة الفوسفات على الفور وتتحول إلى حمض جليكوليك (جليكولات). هناك حاجة مرة أخرى إلى الأكسجين "للاستفادة" منه. لذلك ، كلما زاد الأكسجين في الغلاف الجوي ، كلما زاد تحفيز التنفس الضوئي وكلما احتاج النبات إلى الأكسجين للتخلص من منتجات التفاعل.

التنفس الضوئي هو استهلاك الأكسجين وإنتاج ثاني أكسيد الكربون ، اعتمادًا على الضوء. أي أن تبادل الغازات يحدث أثناء التنفس ، ولكنه يحدث في البلاستيدات الخضراء ويعتمد على إشعاع الضوء. يعتمد التنفس الضوئي على الضوء فقط لأن ثنائي فوسفات الريبولوز يتشكل فقط أثناء عملية التمثيل الضوئي.

أثناء التنفس الضوئي ، يتم إرجاع ذرات الكربون من الجليكولات إلى دورة كالفين في شكل حمض الفسفوجليسريك (فوسفوجليسيرات).

2 جليكولات (C 2) → 2 جلاكسيلات (C 2) → 2 جلايسين (C 2) - CO 2 → Serine (C 3) → Hydroxypyruvate (C 3) → Glycerate (C 3) → FHA (C 3)

كما ترى ، فإن الإرجاع لم يكتمل ، حيث يتم فقد ذرة كربون واحدة عندما يتم تحويل جزيئين جليسين إلى جزيء حمض أميني سيرين واحد ، بينما يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون.

الأكسجين مطلوب في خطوات تحويل الجليكولات إلى جليكوكسيلات والجليسين إلى سيرين.

يحدث تحويل الجليكولات إلى جليكوكسيلات ، ثم إلى جلايسين في البيروكسيزوم ، تخليق سيرين في الميتوكوندريا. يدخل Serine مرة أخرى إلى البيروكسيزوم ، حيث ينتج أولاً هيدروكسي بيروفيت ثم الجلسرين. يدخل الجلسرين بالفعل إلى البلاستيدات الخضراء ، حيث يتم تصنيع FHA منه.

التنفس الضوئي نموذجي بشكل أساسي للنباتات التي تحتوي على نوع C 3 من التمثيل الضوئي. يمكن اعتباره ضارًا حيث يتم إهدار الطاقة في تحويل الجليكولات إلى FHA. يبدو أن التنفس الضوئي ظهر بسبب حقيقة أن النباتات القديمة لم تكن جاهزة لكمية كبيرة من الأكسجين في الغلاف الجوي. في البداية ، حدث تطورها في جو غني بثاني أكسيد الكربون ، وكان هو الذي استولى بشكل رئيسي على مركز تفاعل إنزيم الروبيسكو.

ج 4 التمثيل الضوئي ، أو دورة هاتش سلاك

إذا كان المنتج الأول للمرحلة المظلمة في C 3 -التصوير الضوئي هو حمض الفسفوجليسريك ، والذي يتضمن ثلاث ذرات كربون ، فإن المنتجات الأولى في C 4-way هي الأحماض التي تحتوي على أربع ذرات كربون: ماليك ، أكسالاسيتيك ، أسبارتيك.

لوحظ التمثيل الضوئي C 4 في العديد من النباتات الاستوائية ، على سبيل المثال ، قصب السكر والذرة.

تمتص مصانع C 4 أول أكسيد الكربون بشكل أكثر كفاءة ، ولا يوجد تقريبًا أي تنفس ضوئي معبر عنه.

تحتوي النباتات التي تستمر فيها المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي على طول مسار C 4 على بنية أوراق خاصة. في ذلك ، تحيط الحزم الموصلة بطبقة مزدوجة من الخلايا. الطبقة الداخلية هي غطاء الحزمة الموصلة. الطبقة الخارجية هي خلايا الميزوفيل. تختلف طبقات خلايا البلاستيدات الخضراء عن بعضها البعض.

تتميز البلاستيدات الخضراء ذات الميزوفيليك بالحبيبات الكبيرة والنشاط العالي للأنظمة الضوئية وغياب إنزيم RuBP carboxylase (rubisco) والنشا. أي أن البلاستيدات الخضراء لهذه الخلايا تتكيف بشكل أساسي مع المرحلة الخفيفة من عملية التمثيل الضوئي.

في البلاستيدات الخضراء لخلايا الحزمة الموصلة ، تكون جرانا غير متطورة تقريبًا ، ولكن تركيز كاربوكسيلاز RuBP مرتفع. هذه البلاستيدات الخضراء تتكيف مع المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي.

يدخل ثاني أكسيد الكربون أولاً خلايا الميسوفيل ، ويرتبط بالأحماض العضوية ، في هذا الشكل يتم نقله إلى خلايا الغمد ، ثم يتم إطلاقه ثم يربط بنفس الطريقة كما في نباتات C 3. أي أن مسار C 4 يكمل بدلاً من استبدال C 3.

في الميسوفيل ، يتحد ثاني أكسيد الكربون مع فسفوينول بيروفيت (PEP) لتكوين أكسالات أكسالات (حمض) ، والتي تحتوي على أربع ذرات كربون:

يحدث التفاعل بمشاركة إنزيم PEP-carboxylase ، الذي لديه تقارب أعلى لثاني أكسيد الكربون من روبيسكو. بالإضافة إلى ذلك ، لا يتفاعل كاربوكسيلاز PEP مع الأكسجين ، وبالتالي لا ينفق على التنفس الضوئي. وبالتالي ، فإن ميزة التمثيل الضوئي C 4 تكمن في تثبيت أكثر كفاءة لثاني أكسيد الكربون ، وزيادة في تركيزه في الخلايا الغمدية ، وبالتالي ، تشغيل أكثر كفاءة من RiBP carboxylase ، والذي لا يتم استهلاكه تقريبًا للتنفس الضوئي.

يتم تحويل Oxaloacetate إلى حمض ثنائي الكربوكسيل رباعي الكربون (مالات أو أسبارتات) ، والذي يتم نقله إلى البلاستيدات الخضراء من الخلايا المغلفة للحزم الموصلة. هنا يتم نزع الحمض من الكربوكسيل (إزالة ثاني أكسيد الكربون) ، والأكسدة (إزالة الهيدروجين) وتحويله إلى البيروفات. الهيدروجين يقلل من NADP. يعود Pyruvate إلى mesophyll ، حيث يتم تجديد PEP منه مع استهلاك ATP.

يذهب ثاني أكسيد الكربون المنفصل في البلاستيدات الخضراء في خلايا الغلاف إلى مسار C 3 المعتاد للمرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي ، أي إلى دورة كالفين.

يتطلب البناء الضوئي على طول مسار Hatch-Slack المزيد من الطاقة.

يُعتقد أن مسار C 4 نشأ في التطور بعد مسار C 3 وهو من نواح عديدة تكيف ضد التنفس الضوئي.

البناء الضوئي هي عملية تخليق المواد العضوية من المواد غير العضوية بسبب طاقة الضوء. في الغالبية العظمى من الحالات ، يتم إجراء التمثيل الضوئي بواسطة النباتات التي تستخدم عضيات الخلية مثل البلاستيدات الخضراءتحتوي على صبغة خضراء الكلوروفيل.

إذا لم تكن النباتات قادرة على تصنيع المواد العضوية ، فلن يكون لدى جميع الكائنات الحية الأخرى على الأرض أي شيء تتغذى عليه ، حيث لا يمكن للحيوانات والفطريات والعديد من البكتيريا توليف المواد العضوية من المواد غير العضوية. إنهم يمتصون فقط الجاهزة ، ويقسمونها إلى أبسط ، ويجمعون منها مرة أخرى معقدة ، ولكنها مميزة بالفعل لأجسامهم.

هذا هو الحال إذا تحدثنا عن التمثيل الضوئي ودوره بإيجاز شديد. لفهم التركيب الضوئي ، يجب أن يقال المزيد: ما هي المواد غير العضوية المحددة المستخدمة ، كيف يتم التوليف؟

يتطلب التركيب الضوئي مادتين غير عضويتين - ثاني أكسيد الكربون (CO 2) والماء (H 2 O). يمتص الأول من الهواء عن طريق الأجزاء الهوائية من النباتات بشكل رئيسي من خلال الثغور. الماء - من التربة ، حيث يتم توصيله إلى خلايا التمثيل الضوئي بواسطة نظام توصيل النبات. أيضا ، يتطلب التمثيل الضوئي طاقة الفوتونات (hν) ، ولكن لا يمكن أن تعزى إلى المادة.

في المجموع ، ينتج التمثيل الضوئي مادة عضوية وأكسجين (O 2). غالبًا ما تعني المادة العضوية الجلوكوز (C 6 H 12 O 6).

تتكون المركبات العضوية في الغالب من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. هم الموجودون في ثاني أكسيد الكربون والماء. ومع ذلك ، أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يتم إطلاق الأكسجين. تؤخذ ذراته من الماء.

باختصار وعمومًا ، تُكتب معادلة تفاعل التمثيل الضوئي عادة على النحو التالي:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

لكن هذه المعادلة لا تعكس جوهر عملية التمثيل الضوئي ، ولا تجعلها مفهومة. انظر ، على الرغم من أن المعادلة متوازنة ، إلا أنها تحتوي على 12 ذرة في الأكسجين الحر ، لكننا قلنا أنها تأتي من الماء ، وهناك 6 منها فقط.

في الواقع ، يحدث التمثيل الضوئي على مرحلتين. الأول يسمى ضوء، والثاني هو داكن... ترجع هذه الأسماء إلى حقيقة أن الضوء مطلوب فقط لمرحلة الضوء ، والمرحلة المظلمة مستقلة عن وجودها ، ولكن هذا لا يعني أنها تذهب في الظلام. تحدث المرحلة الخفيفة على أغشية ثيلاكويد البلاستيدات الخضراء ، المرحلة المظلمة - في سدى البلاستيدات الخضراء.

في المرحلة الخفيفة ، لا يحدث أي ارتباط لثاني أكسيد الكربون. لا يوجد سوى التقاط الطاقة الشمسية بواسطة مجمعات الكلوروفيل ، وتخزينها في ATP ، واستخدام الطاقة لاستعادة NADP إلى NADP * H 2. يتم توفير تدفق الطاقة من الكلوروفيل المتحمس بواسطة الضوء بواسطة الإلكترونات ، والتي يتم نقلها على طول سلسلة النقل الإلكتروني للأنزيمات المضمنة في أغشية ثايلاكويد.

يتم أخذ الهيدروجين لـ NADP من الماء ، والذي يتحلل تحت تأثير أشعة الشمس إلى ذرات الأكسجين وبروتونات الهيدروجين والإلكترونات. تسمى هذه العملية التحلل الضوئي... الأكسجين من الماء غير مطلوب لعملية التمثيل الضوئي. تتحد ذرات الأكسجين من جزيئين من الماء لتكوين الأكسجين الجزيئي. معادلة التفاعل للمرحلة الخفيفة من التمثيل الضوئي هي لفترة وجيزة على النحو التالي:

H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½O 2

وبالتالي ، يتم إطلاق الأكسجين خلال مرحلة الضوء من عملية التمثيل الضوئي. يمكن أن يختلف عدد جزيئات ATP التي تم تصنيعها من ADP وحمض الفوسفوريك لكل تحليل ضوئي لجزيء ماء واحد: واحد أو اثنين.

لذا ، يدخل ATP و NADP * H 2 في المرحلة المظلمة من مرحلة الضوء. هنا تنفق طاقة الأول وقوة الاختزال الثانية على ربط ثاني أكسيد الكربون. لا يمكن تفسير هذه المرحلة من عملية التمثيل الضوئي ببساطة وباختصار ، لأنها لا تستمر في الطريقة التي تتحد بها ستة جزيئات CO 2 مع الهيدروجين المنطلق من جزيئات NADP * H 2 لتكوين الجلوكوز:

6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(يستمر التفاعل مع إنفاق الطاقة ATP ، التي تتحلل إلى ADP وحمض الفوسفوريك).

رد الفعل أعلاه هو مجرد تبسيط لتسهيل الفهم. في الواقع ، ترتبط جزيئات ثاني أكسيد الكربون واحدًا تلو الآخر ، وترتبط بالمادة العضوية الجاهزة المكونة من خمسة كربون. تتكون مادة عضوية غير مستقرة من ستة كربون ، تتحلل إلى جزيئات كربوهيدرات ثلاثية الكربون. تستخدم بعض هذه الجزيئات لإعادة تركيب المادة الأصلية المكونة من خمسة كربون لربط ثاني أكسيد الكربون. يتم توفير إعادة التوليف هذه دورة كالفين... أقلية من جزيئات الكربوهيدرات ثلاثية الكربون تغادر الدورة. يتم تصنيعها من مواد أخرى ، ويتم تصنيع جميع المواد العضوية الأخرى (الكربوهيدرات والدهون والبروتينات).

هذا في الواقع ، يتم إطلاق السكريات الثلاثة الكربون ، وليس الجلوكوز ، من المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي.