فتوسنتز - چیست؟ مراحل فتوسنتز شرایط فتوسنتز

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 17:45

آیا تا به حال از خود پرسیده اید که چند موجود زنده روی کره زمین وجود دارد؟! و بالاخره همه آنها برای تولید انرژی و بازدم دی اکسید کربن نیاز به استنشاق اکسیژن دارند. این دی اکسید کربن است که عامل اصلی چنین پدیده ای مانند گرفتگی در اتاق است. زمانی اتفاق می افتد که افراد زیادی در آن هستند و اتاق برای مدت طولانی تهویه نمی شود. علاوه بر این، تأسیسات صنعتی، خودروهای شخصی و حمل‌ونقل عمومی هوا را با مواد سمی پر می‌کنند.

با توجه به موارد فوق، یک سوال کاملاً منطقی مطرح می شود: اگر همه زندگی منبع دی اکسید کربن سمی است، چگونه خفه نشدیم؟ ناجی همه موجودات زنده در این شرایط فتوسنتز است. این فرآیند چیست و چرا لازم است؟

نتیجه آن تنظیم تعادل دی اکسید کربن و اشباع هوا از اکسیژن است. چنین فرآیندی فقط برای نمایندگان دنیای فلور، یعنی گیاهان شناخته شده است، زیرا فقط در سلول های آنها رخ می دهد.

فتوسنتز خود یک روش بسیار پیچیده است، بسته به شرایط خاص و در چندین مورد اتفاق می افتد.مراحل.

تعریف مفهوم

طبق تعریف علمی، مواد آلی در طول فتوسنتز در سطح سلولی در موجودات اتوتروف به دلیل قرار گرفتن در معرض نور خورشید به مواد آلی تبدیل می شوند.

به بیان ساده تر، فتوسنتز فرآیندی است که طی آن موارد زیر رخ می دهد:

1. گیاه از رطوبت اشباع شده است. منبع رطوبت می تواند آب از زمین یا هوای مرطوب استوایی باشد.
2. کلروفیل (ماده خاصی که در گیاهان یافت می شود) به انرژی خورشیدی واکنش نشان می دهد.
3. تشکیل غذای لازم برای نمایندگان فلور، که آنها به تنهایی قادر به دریافت آن به روش هتروتروف نیستند، اما خودشان تولید کننده آن هستند. به عبارت دیگر گیاهان آنچه را که تولید می کنند می خورند. این نتیجه فتوسنتز است.

مرحله اول

عملاً هر گیاهی حاوی یک ماده سبز است که به لطف آن می تواند نور را جذب کند. این ماده چیزی جز کلروفیل نیست. محل آن کلروپلاست است. اما کلروپلاست ها در قسمت ساقه گیاه و میوه های آن قرار دارند. اما فتوسنتز برگ به ویژه در طبیعت رایج است. از آنجایی که دومی در ساختار خود بسیار ساده است و سطح نسبتاً بزرگی دارد، به این معنی که مقدار انرژی مورد نیاز برای ادامه روند نجات بسیار بیشتر خواهد بود.

وقتی نور توسط کلروفیل جذب می شود، کلروفیل در حالت هیجان قرار می گیرد و آنپیام های انرژی را به سایر مولکول های آلی گیاه منتقل می کند. بیشترین مقدار چنین انرژی به شرکت کنندگان در فرآیند فتوسنتز می رسد.

مرحله دوم

تشکیل فتوسنتز در مرحله دوم نیازی به مشارکت اجباری نور ندارد. این شامل تشکیل پیوندهای شیمیایی با استفاده از دی اکسید کربن سمی تشکیل شده از توده های هوا و آب است. همچنین سنتز بسیاری از مواد وجود دارد که فعالیت حیاتی نمایندگان فلور را تضمین می کند. اینها نشاسته، گلوکز هستند.

در گیاهان، چنین عناصر آلی به عنوان منبع تغذیه برای بخش های جداگانه گیاه عمل می کنند و در عین حال روند طبیعی فرآیندهای زندگی را تضمین می کنند. چنین موادی توسط نمایندگان جانورانی که گیاهان را برای غذا می خورند نیز به دست می آیند. بدن انسان از طریق غذا با این مواد اشباع می شود که در رژیم غذایی روزانه گنجانده شده است.

چی؟ جایی که؟ چه زمانی؟

برای آلی شدن مواد آلی باید شرایط مناسب برای فتوسنتز فراهم شود. برای فرآیند مورد بررسی، اول از همه، نور مورد نیاز است. ما در مورد نور مصنوعی و نور خورشید صحبت می کنیم. در طبیعت، فعالیت گیاهان معمولاً با شدت در بهار و تابستان مشخص می شود، یعنی زمانی که نیاز به مقدار زیادی انرژی خورشیدی وجود دارد. در مورد فصل پاییز چه چیزی نمی توان گفت، زمانی که نور کمتر و کمتر می شود، روز کوتاهتر می شود. در نتیجه، شاخ و برگ زرد می شود و سپس به طور کامل می ریزد. اما به محض اینکه اولین پرتوهای بهاری خورشید بتابد، علف سبز طلوع می کند، بلافاصله فعالیت خود را از سر می گیرند.کلروفیل ها و تولید فعال اکسیژن و سایر مواد مغذی حیاتی آغاز خواهد شد.

شرایط فتوسنتز فراتر از نور است. رطوبت نیز باید کافی باشد. از این گذشته ، گیاه ابتدا رطوبت را جذب می کند و سپس واکنشی با مشارکت انرژی خورشیدی آغاز می شود. غذای گیاهی نتیجه این فرآیند است.

فقط در حضور ماده سبز فتوسنتز اتفاق می افتد. ما قبلاً در بالا گفته ایم که کلروفیل چیست. آنها به عنوان نوعی رسانا بین نور یا انرژی خورشیدی و خود گیاه عمل می کنند و روند مناسب زندگی و فعالیت آنها را تضمین می کنند. مواد سبز توانایی جذب بسیاری از اشعه های خورشید را دارند.

اکسیژن نیز نقش مهمی ایفا می کند. برای موفقیت فرآیند فتوسنتز، گیاهان به مقدار زیادی از آن نیاز دارند، زیرا حاوی تنها 0.03٪ اسید کربنیک است. بنابراین، از 20000 متر³ هوا، می توانید 6 m^{3 اسید دریافت کنید. این ماده اخیر است که منبع اصلی گلوکز است که به نوبه خود ماده ای ضروری برای زندگی است.}

دو مرحله فتوسنتز وجود دارد. اولی نور نام دارد، دومی تاریک است.

مکانیسم جریان مرحله نور چیست

مرحله نوری فتوسنتز نام دیگری دارد - فتوشیمیایی. شرکت کنندگان اصلی در این مرحله عبارتند از:

• انرژی خورشیدی؛
• انواع رنگدانه.

با جزء اول همه چیز روشن است، نور خورشید است. ولیاین چیزی است که رنگدانه ها هستند، همه نمی دانند. آنها سبز، زرد، قرمز یا آبی هستند. کلروفیل های گروه "A" و "B" به ترتیب به سبز، فیکوبیلین ها به زرد و قرمز / آبی تعلق دارند. فعالیت فتوشیمیایی در بین شرکت کنندگان در این مرحله از فرآیند فقط با کلروفیل "A" نشان داده می شود. بقیه نقش مکمل دارند که ماهیت آن جمع آوری کوانتوم های نور و انتقال آنها به مرکز فوتوشیمیایی است.

از آنجایی که کلروفیل دارای توانایی جذب مؤثر انرژی خورشیدی در طول موج معین است، سیستم های فتوشیمیایی زیر شناسایی شده اند:

- مرکز فتوشیمیایی 1 (مواد سبز گروه "A") - رنگدانه 700 در ترکیب گنجانده شده است که پرتوهای نور را جذب می کند که طول آن تقریباً 700 نانومتر است. این رنگدانه نقش اساسی در ایجاد محصولات مرحله نور فتوسنتز دارد.

- مرکز فتوشیمیایی 2 (مواد سبز گروه "B") - ترکیب شامل رنگدانه 680 است که پرتوهای نور را جذب می کند که طول آن 680 نانومتر است. او نقش ثانویه ای دارد که عبارت است از پر کردن الکترون های از دست رفته توسط مرکز فتوشیمیایی 1. این نقش به دلیل هیدرولیز مایع حاصل می شود.

برای 350-400 مولکول رنگدانه که شارهای نور را در فتوسیستم های 1 و 2 متمرکز می کنند، تنها یک مولکول رنگدانه وجود دارد که از نظر فتوشیمیایی فعال است - کلروفیل گروه "A".

چه خبر است؟

1. انرژی نوری جذب شده توسط گیاه بر رنگدانه 700 موجود در آن تأثیر می گذارد که از حالت عادی به حالت برانگیخته تغییر می کند. رنگدانه از بین می رودالکترون، که منجر به تشکیل به اصطلاح حفره الکترونی می شود. علاوه بر این، مولکول رنگدانه ای که یک الکترون را از دست داده است می تواند به عنوان پذیرنده آن، یعنی سمتی که الکترون را دریافت می کند، عمل کند و به شکل خود بازگردد.

2. فرآیند تجزیه مایع در مرکز فتوشیمیایی رنگدانه جاذب نور 680 فتوسیستم 2. در حین تجزیه آب الکترون هایی تشکیل می شود که در ابتدا توسط ماده ای مانند سیتوکروم C550 پذیرفته شده و با حرف Q نشان داده می شوند. از سیتوکروم، الکترون ها وارد زنجیره حامل می شوند و به مرکز فتوشیمیایی 1 منتقل می شوند تا سوراخ الکترونی را دوباره پر کنند، که نتیجه نفوذ کوانتوم های نور و فرآیند کاهش رنگدانه 700 بود.

مواردی وجود دارد که چنین مولکولی یک الکترون مشابه با مولکول قبلی را پس می گیرد. این باعث آزاد شدن انرژی نور به شکل گرما می شود. اما تقریباً همیشه، یک الکترون با بار منفی با پروتئین‌های آهن-گوگرد ویژه ترکیب می‌شود و در امتداد یکی از زنجیره‌ها به رنگدانه 700 منتقل می‌شود یا وارد زنجیره حامل دیگری می‌شود و با یک گیرنده دائمی دوباره متحد می‌شود.

در نوع اول، یک انتقال الکترون از نوع بسته چرخه ای وجود دارد، در دومی - غیر حلقوی.

هر دو فرآیند توسط زنجیره یکسانی از حامل های الکترون در مرحله اول فتوسنتز کاتالیز می شوند. اما باید توجه داشت که در حین فتوفسفوریلاسیون از نوع حلقوی، نقطه اولیه و در عین حال پایانی انتقال کلروفیل است، در حالی که حمل و نقل غیر حلقوی دلالت بر انتقال ماده سبز رنگ گروه B بهکلروفیل "A".

ویژگی های حمل و نقل چرخه ای

فسفوریلاسیون چرخه ای نیز فتوسنتزی نامیده می شود. در نتیجه این فرآیند، مولکول های ATP تشکیل می شوند. این انتقال مبتنی بر بازگشت الکترون ها در حالت برانگیخته به رنگدانه 700 از طریق چندین مرحله متوالی است که در نتیجه انرژی آزاد می شود که در کار سیستم آنزیم فسفریله کننده به منظور تجمع بیشتر در فسفات ATP شرکت می کند. اوراق قرضه. یعنی انرژی تلف نمی شود.

فسفوریلاسیون چرخه ای واکنش اولیه فتوسنتز است که مبتنی بر فناوری تولید انرژی شیمیایی بر روی سطوح غشایی تیرلاکتویدهای کلروپلاست با استفاده از انرژی نور خورشید است.

بدون فسفوریلاسیون فتوسنتزی، واکنش های جذب در فاز تاریک فتوسنتز غیرممکن است.

تفاوت های ظریف حمل و نقل از نوع غیر چرخه ای

فرآیند شامل بازیابی NADP+ و تشکیل NADPH است. مکانیسم مبتنی بر انتقال الکترون به فرودوکسین، واکنش کاهش آن و انتقال متعاقب آن به NADP+ با کاهش بیشتر به NADPH است.

در نتیجه، الکترون هایی که رنگدانه 700 را از دست داده اند به لطف الکترون های آب که تحت پرتوهای نور در فتوسیستم تجزیه می شوند، دوباره پر می شوند.

مسیر غیر حلقوی الکترونها، که جریان آن به فتوسنتز نور نیز اشاره دارد، از طریق برهمکنش هر دو فتوسیستم با یکدیگر انجام می شود، زنجیره های انتقال الکترون آنها را به هم پیوند می دهد. نورانیانرژی جریان الکترون ها را به عقب هدایت می کند. هنگام انتقال از مرکز فتوشیمیایی 1 به مرکز 2، الکترون ها بخشی از انرژی خود را به دلیل تجمع به عنوان پتانسیل پروتون در سطح غشای تیلاکتویدها از دست می دهند.

در مرحله تاریک فتوسنتز، فرآیند ایجاد پتانسیل نوع پروتون در زنجیره انتقال الکترون و بهره برداری از آن برای تشکیل ATP در کلروپلاست ها تقریباً به طور کامل با همان فرآیند در میتوکندری یکسان است. اما ویژگی ها هنوز وجود دارد. تیلاکتویدها در این وضعیت میتوکندری هستند که از داخل به بیرون تبدیل شده اند. این دلیل اصلی حرکت الکترون ها و پروتون ها در سراسر غشا در جهت مخالف نسبت به جریان انتقال در غشای میتوکندری است. الکترون‌ها به بیرون منتقل می‌شوند، در حالی که پروتون‌ها در داخل ماتریکس تیرلاکتیک تجمع می‌یابند. دومی فقط بار مثبت را می پذیرد و غشای خارجی تیلاکتوئید منفی است. نتیجه این است که مسیر گرادیان نوع پروتون مخالف مسیر آن در میتوکندری است.

ویژگی بعدی را می توان سطح pH زیاد در پتانسیل پروتون نامید.

سومین ویژگی وجود تنها دو محل کونژوگه در زنجیره تیلاکتوید است و در نتیجه نسبت مولکول ATP به پروتون 1:3 است.

نتیجه گیری

در مرحله اول، فتوسنتز برهمکنش انرژی نور (مصنوعی و غیر مصنوعی) با یک گیاه است. مواد سبز رنگ به پرتوها واکنش نشان می دهند - کلروفیل ها که بیشتر آنها در برگ ها یافت می شوند.

تشکیل ATP و NADPH نتیجه چنین واکنشی است. این محصولات برای بروز واکنش های تیره ضروری هستند. بنابراین، مرحله نور یک فرآیند واجب است که بدون آن مرحله دوم - مرحله تاریک - انجام نمی شود.

مرحله تاریک: ماهیت و ویژگی ها

فتوسنتز تاریک و واکنش های آن فرآیند تبدیل دی اکسید کربن به مواد با منشاء آلی با تولید کربوهیدرات است. اجرای چنین واکنش هایی در استرومای کلروپلاست و محصولات مرحله اول فتوسنتز رخ می دهد - نور در آنها نقش فعال دارد.

مکانیسم مرحله تاریک فتوسنتز بر اساس فرآیند جذب دی اکسید کربن (که کربوکسیلاسیون فتوشیمیایی، چرخه کالوین نیز نامیده می شود) است که با چرخه مشخص می شود. شامل سه مرحله است:

1. کربوکسیلاسیون - افزودن CO_2.
2. مرحله بازیابی.
3. مرحله بازسازی ریبولوز دی فسفات.

Ribulophosphate، قندی با پنج اتم کربن، توسط ATP فسفریله می شود و منجر به دی فسفات ریبولوز می شود که با ترکیب با محصول CO_{2 با شش کربن، که فوراً کربوکسیله می شود. هنگام تعامل با یک مولکول آب تجزیه می شود و دو ذره مولکولی اسید فسفوگلیسریک ایجاد می کند. سپس این اسید تحت یک دوره کاهش کامل در اجرای یک واکنش آنزیمی قرار می گیرد که برای آن وجود ATP و NADP برای تشکیل قندی با سه کربن - یک قند سه کربنه، تریوز یا آلدئید لازم است.فسفوگلیسرول وقتی دو تریوز از این قبیل متراکم می شوند، یک مولکول هگزوز به دست می آید که می تواند بخشی جدایی ناپذیر از مولکول نشاسته شود و در ذخیره اشکال زدایی شود.}

این مرحله با جذب یک مولکول CO در طول فرآیند فتوسنتز خاتمه می یابد_{2 و استفاده از سه مولکول ATP و چهار اتم H. هگزوز فسفات خود را به واکنش ها می رساند. از چرخه پنتوز فسفات، ریبولوز فسفات حاصل از آن بازسازی می شود که می تواند با مولکول اسید کربنیک دیگر ترکیب شود.}

واکنش های کربوکسیلاسیون، ترمیم، بازسازی را نمی توان منحصراً برای سلولی که در آن فتوسنتز انجام می شود، نامید. شما نمی توانید بگویید که روند "همگن" فرآیندها چیست، زیرا تفاوت هنوز وجود دارد - در طول فرآیند بازیابی، NADPH استفاده می شود و نه OVERH.

افزودن CO_{2 توسط ریبولوز دی فسفات توسط ریبولوز دی فسفات کربوکسیلاز کاتالیز می شود. محصول واکنش 3-فسفوگلیسرات است که توسط NADPH2 و ATP به گلیسرآلدئید-3-فسفات کاهش می یابد. فرآیند احیا توسط گلیسرآلدهید-3-فسفات دهیدروژناز کاتالیز می شود. دومی به راحتی به دی هیدروکسی استون فسفات تبدیل می شود. فروکتوز بیس فسفات تشکیل می شود. برخی از مولکول های آن در فرآیند بازسازی ریبولوز دی فسفات شرکت می کنند و چرخه را می بندند و قسمت دوم برای ایجاد ذخایر کربوهیدرات در سلول های فتوسنتز استفاده می شود، یعنی فتوسنتز کربوهیدرات انجام می شود.}

انرژی نور برای فسفوریلاسیون و سنتز مواد آلی ضروری است.منشاء، و انرژی اکسیداسیون مواد آلی برای فسفوریلاسیون اکسیداتیو ضروری است. به همین دلیل است که پوشش گیاهی برای حیوانات و سایر موجودات هتروتروف زندگی می‌کند.

فتوسنتز در سلول گیاهی به این ترتیب انجام می شود. محصول آن کربوهیدرات است که برای ایجاد اسکلت کربنی بسیاری از مواد نمایندگان جهان فلور که منشأ ارگانیک دارند لازم است.

مواد از نوع آلی نیتروژن در موجودات فتوسنتزی به دلیل کاهش نیترات های معدنی و گوگرد - به دلیل کاهش سولفات ها به گروه های سولفیدریل اسیدهای آمینه جذب می شوند. تشکیل پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها، کربوهیدرات ها، کوفاکتورها، یعنی فتوسنتز را فراهم می کند. این که "مجموعه ای" از مواد برای گیاهان حیاتی است قبلاً تأکید شده است، اما در مورد محصولات سنتز ثانویه که مواد دارویی ارزشمندی هستند (فلاونوئیدها، آلکالوئیدها، ترپن ها، پلی فنول ها، استروئیدها، اسیدهای آلی و غیره) کلمه ای گفته نشده است.). بنابراین، بدون اغراق می‌توان گفت که فتوسنتز کلید حیات گیاهان، حیوانات و مردم است.