چه موادی در طول فتوسنتز مصرف می شود؟ فرآیند بیولوژیکی فتوسنتز و اهمیت آن در طبیعت

همانطور که از نام آن پیداست، فتوسنتز اساساً سنتز طبیعی مواد آلی است که CO2 از جو و آب را به گلوکز و اکسیژن آزاد تبدیل می کند.

این مستلزم وجود انرژی خورشیدی است.

معادله شیمیایی برای فرآیند فتوسنتز به طور کلی می تواند به صورت زیر نمایش داده شود:

فتوسنتز دو مرحله دارد: تاریک و روشن. واکنش های شیمیاییفازهای تاریک فتوسنتز به طور قابل توجهی با واکنش های فاز نور متفاوت است، اما فاز تاریک و روشن فتوسنتز به یکدیگر بستگی دارند.

فاز نور می تواند در برگ های گیاه منحصراً در نور خورشید رخ دهد. برای تاریکی، وجود دی اکسید کربن ضروری است، به همین دلیل است که گیاه باید دائما آن را از جو جذب کند. تمام مشخصات مقایسه ای فازهای تاریک و روشن فتوسنتز در زیر ارائه خواهد شد. برای این منظور، جدول مقایسه ای "فازهای فتوسنتز" ایجاد شد.

فاز نور فتوسنتز

فرآیندهای اصلی در فاز نوری فتوسنتز در غشاهای تیلاکوئید رخ می دهد. این شامل کلروفیل، پروتئین های انتقال الکترون، سنتتاز ATP (آنزیمی که واکنش را تسریع می کند) و نور خورشید است.

علاوه بر این، مکانیسم واکنش را می توان به شرح زیر توصیف کرد: هنگامی که نور خورشید به برگ های سبز گیاهان برخورد می کند، الکترون های کلروفیل (بار منفی) در ساختار آنها برانگیخته می شوند که با عبور از حالت فعال، مولکول رنگدانه را ترک می کنند و در نهایت در خارج از تیلاکوئید، غشای آن نیز دارای بار منفی است. همزمان، مولکول‌های کلروفیل اکسید می‌شوند و مولکول‌های قبلاً اکسید شده کاهش می‌یابند، بنابراین الکترون‌ها را از آب موجود در ساختار برگ می‌گیرند.

این فرآیند منجر به این واقعیت می شود که مولکول های آب متلاشی می شوند و یون های ایجاد شده در نتیجه فتولیز آب الکترون های خود را رها می کنند و به رادیکال های OH تبدیل می شوند که قادر به انجام واکنش های بعدی هستند. سپس این رادیکال‌های واکنش‌پذیر OH ترکیب می‌شوند تا مولکول‌های آب و اکسیژن کامل را ایجاد کنند. در این حالت، اکسیژن آزاد به داخل فرار می کند محیط خارجی.

در نتیجه همه این واکنش ها و دگرگونی ها، غشای تیلاکوئید برگ در یک طرف به طور مثبت (به دلیل یون H +) و از طرف دیگر - منفی (به دلیل الکترون ها) باردار می شود. زمانی که اختلاف این بارها در دو طرف غشا به بیش از 200 میلی ولت می رسد، پروتون ها از کانال های مخصوص آنزیم سنتتاز ATP عبور می کنند و به همین دلیل ADP به ATP (در نتیجه فرآیند فسفوریلاسیون) تبدیل می شود. و هیدروژن اتمی که از آب آزاد می شود، حامل خاص NADP+ را به NADP·H2 باز می گرداند. همانطور که می بینیم، در نتیجه فاز نوری فتوسنتز، سه فرآیند اصلی رخ می دهد:

سنتز ATP؛
ایجاد NADP H2؛
تشکیل اکسیژن آزاد

دومی در جو آزاد می شود و NADP H2 و ATP در فاز تاریک فتوسنتز شرکت می کنند.

فاز تاریک فتوسنتز

فازهای تاریک و روشن فتوسنتز با این ویژگی مشخص می شوند با هزینه زیادانرژی از گیاه دریافت می کند، اما فاز تاریک سریعتر پیش می رود و به انرژی کمتری نیاز دارد. واکنش های فاز تاریک نیازی به نور خورشید ندارند، بنابراین می توانند در روز و شب رخ دهند.

تمام فرآیندهای اصلی این فاز در استرومای کلروپلاست گیاه رخ می دهد و نشان دهنده زنجیره ای منحصر به فرد از تبدیل های متوالی دی اکسید کربن از جو است. اولین واکنش در چنین زنجیره ای تثبیت دی اکسید کربن است. طبیعت برای اینکه آن را روان‌تر و سریع‌تر کند، آنزیم RiBP-کربوکسیلاز را ارائه کرده است که تثبیت CO2 را کاتالیز می‌کند.

سپس یک چرخه کامل از واکنش ها رخ می دهد که تکمیل آن تبدیل فسفوگلیسریک اسید به گلوکز (قند طبیعی) است. همه این واکنش ها از انرژی ATP و NADP H2 استفاده می کنند که در فاز نوری فتوسنتز ایجاد شده اند. علاوه بر گلوکز، فتوسنتز مواد دیگری نیز تولید می کند. از جمله اسیدهای آمینه مختلف، اسیدهای چرب، گلیسرول و نوکلئوتیدها هستند.

مراحل فتوسنتز: جدول مقایسه

*معیارهای مقایسه*	*فاز نور*	*فاز تاریک*
نور خورشید	ضروری	لازم نیست
محل واکنش	گرانا کلروپلاست	استروما کلروپلاست
وابستگی به منبع انرژی	بستگی به نور خورشید دارد	بستگی به ATP و NADP H2 تشکیل شده در فاز نور و به مقدار CO2 از جو دارد.
مواد اولیه	کلروفیل، پروتئین های انتقال الکترون، سنتتاز ATP	دی اکسید کربن
ماهیت فاز و آنچه شکل می گیرد	O2 آزاد آزاد می شود، ATP و NADP H2 تشکیل می شوند	تشکیل قند طبیعی (گلوکز) و جذب CO2 از جو

فتوسنتز - ویدئو

سه نوع پلاستید وجود دارد:

کلروپلاست ها- سبز، عملکرد - فتوسنتز
کروموپلاست ها- قرمز و زرد، کلروپلاست های فرسوده هستند، می توانند رنگ های روشن به گلبرگ ها و میوه ها بدهند.
لوکوپلاست ها- بی رنگ، عملکرد - ذخیره سازی مواد.

ساختار کلروپلاست ها

با دو غشا پوشانده شده است. غشای بیرونی صاف است، غشای داخلی دارای رشد به سمت داخل است - تیلاکوئیدها. پشته های تیلاکوئید کوتاه نامیده می شود دانه ها، آنها مساحت غشای داخلی را افزایش می دهند تا تا آنجا که ممکن است آنزیم های فتوسنتزی را در خود جای دهند.

محیط داخلی کلروپلاست استروما نامیده می شود. حاوی DNA دایره ای و ریبوزوم است که به دلیل آن کلروپلاست ها به طور مستقل بخشی از پروتئین های خود را می سازند و به همین دلیل اندامک های نیمه مستقل نامیده می شوند. (این باور وجود دارد که پلاستیدها قبلاً باکتری های آزاد بودند که توسط یک سلول بزرگ جذب می شدند، اما هضم نمی شدند.)

فتوسنتز (ساده)

در برگ های سبز در نور
در کلروپلاست ها با استفاده از کلروفیل
از دی اکسید کربن و آب
گلوکز و اکسیژن سنتز می شوند.

فتوسنتز (سختی متوسط)

1. فاز نور.
در نور در دانه های کلروپلاست رخ می دهد. تحت تأثیر نور، تجزیه (فتولیز) آب رخ می دهد و اکسیژن آزاد می شود و همچنین اتم های هیدروژن (NADP-H) و انرژی ATP که در مرحله بعدی استفاده می شوند، تولید می شود.

2. فاز تاریک.
هم در روشنایی و هم در تاریکی (نور لازم نیست)، در استرومای کلروپلاست رخ می دهد. از دی اکسید کربن به دست آمده از محیطو اتم های هیدروژن به دست آمده در مرحله قبل، گلوکز به دلیل انرژی ATP به دست آمده در مرحله قبل سنتز می شود.

یکی را انتخاب کنید که برای شما مناسب تر است گزینه صحیح. اندامک سلولی حاوی یک مولکول DNA
1) ریبوزوم
2) کلروپلاست
3) مرکز سلولی
4) مجتمع گلگی

پاسخ

یکی، درست ترین گزینه را انتخاب کنید. اتم های هیدروژن در سنتز چه ماده ای در فاز تاریک فتوسنتز شرکت می کنند؟
1) NADP-2H
2) گلوکز
3) ATP
4) آب

پاسخ

یکی، درست ترین گزینه را انتخاب کنید. کدام اندامک سلولی حاوی DNA است؟
1) واکوئل
2) ریبوزوم
3) کلروپلاست
4) لیزوزوم

پاسخ

یکی، درست ترین گزینه را انتخاب کنید. در سلول ها، سنتز اولیه گلوکز در آن رخ می دهد
1) میتوکندری
2) شبکه آندوپلاسمی
3) مجتمع گلگی
4) کلروپلاست

پاسخ

یکی، درست ترین گزینه را انتخاب کنید. مولکول های اکسیژن در طول فتوسنتز به دلیل تجزیه مولکول ها تشکیل می شوند
1) دی اکسید کربن
2) گلوکز
3) ATP
4) آب

پاسخ

یکی، درست ترین گزینه را انتخاب کنید. فرآیند فتوسنتز را باید به عنوان یکی از حلقه های مهم در چرخه کربن در زیست کره در نظر گرفت، زیرا در طول آن
1) گیاهان کربن را از آن جذب می کنند طبیعت بی جانزنده
2) گیاهان اکسیژن را در جو آزاد می کنند
3) موجودات زنده در طول تنفس دی اکسید کربن آزاد می کنند
4) تولید صنعتیجو را با دی اکسید کربن پر کنید

پاسخ

یکی، درست ترین گزینه را انتخاب کنید. آیا جملات زیر در مورد فتوسنتز صحیح است؟ الف) در فاز نور انرژی نور به انرژی پیوندهای شیمیایی گلوکز تبدیل می شود. ب) واکنش های فاز تاریک روی غشاهای تیلاکوئید رخ می دهد که مولکول های دی اکسید کربن وارد آن می شوند.
1) فقط A صحیح است
2) فقط B صحیح است
3) هر دو قضاوت صحیح است
4) هر دو قضاوت نادرست است

پاسخ

کلروپلاست
1. تمام ویژگی های زیر به جز دو مورد، می تواند برای توصیف ساختار و عملکرد کلروپلاست استفاده شود. دو مشخصه را که از فهرست کلی «خارج می شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده اند، یادداشت کنید.
1) اندامک دو غشایی است
2) مولکول DNA بسته خود را دارد
3) اندامک نیمه خودمختار است
4) دوک را تشکیل می دهد
5) پر از شیره سلولی با ساکارز

پاسخ

2. سه ویژگی از ساختار و عملکرد کلروپلاست ها را انتخاب کنید
1) غشاهای داخلی کریستا را تشکیل می دهند
2) واکنش های زیادی در دانه ها رخ می دهد
3) سنتز گلوکز در آنها اتفاق می افتد
4) محل سنتز لیپیدها هستند
5) از دو ذره مختلف تشکیل شده است
6) اندامک های دو غشایی

پاسخ

3. از 6 پاسخ، سه پاسخ صحیح را انتخاب کنید و اعدادی را که زیر آنها نشان داده شده اند، یادداشت کنید. فرآیندهای زیر در کلروپلاست سلول های گیاهی رخ می دهد:
1) هیدرولیز پلی ساکاریدها
2) تجزیه پیروویک اسید
3) فتولیز آب
4) تجزیه چربی ها به اسیدهای چرب و گلیسرول
5) سنتز کربوهیدرات ها
6) سنتز ATP

پاسخ

کلروپلاست ها به جز
1. برای توصیف پلاستیدها به جز دو عبارت زیر استفاده می شود. دو عبارتی را که از لیست کلی خارج می شوند را مشخص کنید و اعدادی را که زیر آنها در جدول نشان داده شده اند بنویسید.
1) رنگدانه
2) گلیکوکالیکس
3) گرانا
4) کریستا
5) تیلاکوئید

پاسخ

2. همه ویژگی های زیر به جز دو مورد را می توان برای توصیف کلروپلاست استفاده کرد. دو ویژگی را که از فهرست کلی «خارج می‌شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده‌اند، بنویسید.
1) اندامک های دو غشایی
2) از انرژی نور برای ایجاد مواد آلی استفاده کنید
3) غشاهای داخلی کریستا را تشکیل می دهند
4) سنتز گلوکز روی غشاهای کریستا اتفاق می افتد
5) مواد اولیه برای سنتز کربوهیدرات دی اکسید کربن و آب است

پاسخ

استروما - تیلاکوئید
برقراری ارتباط بین فرآیندها و محلی سازی آنها در کلروپلاست: 1) استروما، 2) تیلاکوئید. اعداد 1 و 2 را به ترتیب حروف بنویسید.
الف) استفاده از ATP
ب) فتولیز آب
ب) تحریک کلروفیل
د) تشکیل پنتوز
د) انتقال الکترون در طول زنجیره آنزیمی

پاسخ

1. ویژگی های ذکر شده در زیر، به جز دو مورد، برای توصیف ساختار و عملکرد اندامک سلولی به تصویر کشیده شده استفاده می شود. دو ویژگی را که از فهرست کلی «خارج می‌شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده‌اند، بنویسید.

2) مولکول های ATP را جمع می کند
3) فتوسنتز را فراهم می کند

5) نیمه خودمختاری دارد

پاسخ

2. تمام ویژگی های ذکر شده در زیر به جز دو مورد، می توانند برای توصیف اندامک سلولی نشان داده شده در شکل استفاده شوند. دو مشخصه را که از فهرست کلی «خارج می شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده اند، یادداشت کنید.
1) اندامک تک غشایی
2) از کریستا و کروماتین تشکیل شده است
3) حاوی DNA حلقوی است
4) پروتئین خود را سنتز می کند
5) قابلیت تقسیم

پاسخ

ویژگی های ذکر شده در زیر، به جز دو مورد، برای توصیف ساختار و عملکرد اندامک سلولی به تصویر کشیده شده استفاده می شود. دو ویژگی را که از فهرست کلی «خارج می‌شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده‌اند، بنویسید.
1) پلیمرهای زیستی را به مونومر تجزیه می کند
2) مولکول های ATP را جمع می کند
3) فتوسنتز را فراهم می کند
4) به اندامک های دو غشایی اشاره دارد
5) نیمه خودمختاری دارد

پاسخ

سبک
1. از بین پنج پاسخ، دو پاسخ صحیح را انتخاب کنید و اعدادی را که زیر آنها نشان داده شده اند بنویسید. در طول فاز نوری فتوسنتز در سلول
1) اکسیژن در نتیجه تجزیه مولکول های آب تشکیل می شود
2) کربوهیدرات ها از دی اکسید کربن و آب سنتز می شوند
3) پلیمریزاسیون مولکول های گلوکز برای تشکیل نشاسته اتفاق می افتد
4) مولکول های ATP سنتز می شوند
5) انرژی مولکول های ATP صرف سنتز کربوهیدرات ها می شود

پاسخ

2. سه عبارت صحیح را از فهرست کلی مشخص کنید و اعدادی را که زیر آنها در جدول نشان داده شده اند بنویسید. در طول فاز نور فتوسنتز اتفاق می افتد
1) فتولیز آب

4) اتصال هیدروژن با انتقال دهنده +NADP

پاسخ

نور به جز
1. تمام علائم زیر به جز دو مورد، می توانند برای تعیین فرآیندهای فاز نور فتوسنتز استفاده شوند. دو مشخصه را که از فهرست کلی «خارج می شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده اند، یادداشت کنید.
1) فتولیز آب
2) کاهش دی اکسید کربن به گلوکز
3) سنتز مولکول های ATP با استفاده از انرژی نور خورشید
4) تشکیل اکسیژن مولکولی
5) استفاده از انرژی مولکول های ATP برای سنتز کربوهیدرات ها

پاسخ

2. تمام ویژگی های ذکر شده در زیر، به جز دو مورد، می توانند برای توصیف فاز نوری فتوسنتز استفاده شوند. دو مشخصه را که از فهرست کلی «خارج می شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده اند، یادداشت کنید.
1) یک محصول جانبی تشکیل می شود - اکسیژن
2) در استرومای کلروپلاست رخ می دهد
3) اتصال دی اکسید کربن
4) سنتز ATP
5) فتولیز آب

پاسخ

3. تمام ویژگی های ذکر شده در زیر به جز دو مورد، برای توصیف مرحله فتوسنتز نشان داده شده در شکل استفاده می شود. دو ویژگی را که از فهرست کلی «خارج می‌شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده‌اند، بنویسید. در این مرحله
1) سنتز گلوکز اتفاق می افتد
2) چرخه کالوین شروع می شود
3) ATP سنتز می شود
4) فتولیز آب رخ می دهد
5) هیدروژن با NADP ترکیب می شود

پاسخ

تاریک
سه گزینه را انتخاب کنید. فاز تاریک فتوسنتز مشخص می شود
1) وقوع فرآیندها در غشای داخلی کلروپلاست
2) سنتز گلوکز
3) تثبیت دی اکسید کربن
4) سیر فرآیندها در استرومای کلروپلاست
5) وجود فتولیز آب
6) تشکیل ATP

پاسخ

تاریک به جز
1. مفاهیم ذکر شده در زیر، به جز دو مورد، برای توصیف فاز تاریک فتوسنتز استفاده می شود. دو مفهوم را که از فهرست کلی «خارج می شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده اند بنویسید.

2) فتولیز
3) اکسیداسیون NADP 2H
4) گرانا
5) استروما

پاسخ

2. تمام ویژگی های ذکر شده در زیر، به جز دو مورد، برای توصیف فاز تاریک فتوسنتز استفاده می شود. دو مشخصه را که از فهرست کلی «خارج می شوند» شناسایی کنید و اعدادی را که در زیر آنها نشان داده شده اند، یادداشت کنید.
1) تشکیل اکسیژن
2) تثبیت دی اکسید کربن
3) استفاده از انرژی ATP
4) سنتز گلوکز
5) تحریک کلروفیل

پاسخ

تیره روشن یا کمرنگ و پررنگ
1. بین فرآیند فتوسنتز و مرحله ای که در آن رخ می دهد مطابقت برقرار کنید: 1) نور، 2) تاریکی. اعداد 1 و 2 را به ترتیب صحیح بنویسید.
الف) تشکیل مولکول های NADP-2H
ب) آزاد شدن اکسیژن
ب) سنتز مونوساکارید
د) سنتز مولکول های ATP
د) افزودن دی اکسید کربن به کربوهیدرات

پاسخ

2. بین مشخصه و فاز فتوسنتز مطابقت برقرار کنید: 1) روشنایی، 2) تاریکی. اعداد 1 و 2 را به ترتیب صحیح بنویسید.
الف) فتولیز آب
ب) تثبیت دی اکسید کربن
ب) تقسیم مولکول های ATP
د) تحریک کلروفیل توسط کوانتوم های نور
د) سنتز گلوکز

پاسخ

3. بین فرآیند فتوسنتز و مرحله ای که در آن رخ می دهد مطابقت برقرار کنید: 1) نور، 2) تاریکی. اعداد 1 و 2 را به ترتیب صحیح بنویسید.
الف) تشکیل مولکول های NADP*2H
ب) آزاد شدن اکسیژن
ب) سنتز گلوکز
د) سنتز مولکول های ATP
د) کاهش دی اکسید کربن

پاسخ

4. بین فرآیندها و مرحله فتوسنتز مطابقت برقرار کنید: 1) نور، 2) تاریکی. اعداد 1 و 2 را به ترتیب حروف بنویسید.
الف) پلیمریزاسیون گلوکز
ب) اتصال دی اکسید کربن
ب) سنتز ATP
د) فتولیز آب
د) تشکیل اتم های هیدروژن
ه) سنتز گلوکز

پاسخ

5. بین مراحل فتوسنتز و ویژگی های آنها مطابقت برقرار کنید: 1) نور، 2) تاریکی. اعداد 1 و 2 را به ترتیب حروف بنویسید.
الف) فتولیز آب رخ می دهد
ب) ATP تشکیل می شود
ب) اکسیژن در جو آزاد می شود
د) با مصرف انرژی ATP پیش می رود
د) واکنش ها می توانند هم در نور و هم در تاریکی رخ دهند

پاسخ

6 شنبه بین مراحل فتوسنتز و ویژگی های آنها مطابقت برقرار کنید: 1) نور، 2) تاریکی. اعداد 1 و 2 را به ترتیب حروف بنویسید.
الف) بازسازی NADP+
ب) انتقال یون های هیدروژن از طریق غشا
ب) در دانه های کلروپلاست رخ می دهد
د) مولکول های کربوهیدرات سنتز می شوند
د) الکترون های کلروفیل به سطح انرژی بالاتری حرکت می کنند
ه) انرژی ATP مصرف می شود

پاسخ

تشکیل 7:
الف) حرکت الکترون های برانگیخته
ب) تبدیل NADP-2R به NADP+
ب) اکسیداسیون NADPH
د) اکسیژن مولکولی تشکیل می شود
د) فرآیندهایی در استرومای کلروپلاست رخ می دهد

دنباله
1. ترتیب صحیح فرآیندهایی را که در طول فتوسنتز اتفاق می‌افتند، تعیین کنید. اعدادی را که زیر آنها در جدول نشان داده شده اند بنویسید.
1) استفاده از دی اکسید کربن
2) تشکیل اکسیژن
3) سنتز کربوهیدرات
4) سنتز مولکول های ATP
5) تحریک کلروفیل

پاسخ

2. ترتیب صحیح فرآیندهای فتوسنتز را ایجاد کنید.
1) تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی ATP
2) تشکیل الکترون های برانگیخته کلروفیل
3) تثبیت دی اکسید کربن
4) تشکیل نشاسته
5) تبدیل انرژی ATP به انرژی گلوکز

پاسخ

3. ترتیب فرآیندهایی را که در طول فتوسنتز اتفاق می‌افتند، تعیین کنید. دنباله اعداد مربوطه را بنویسید.
1) تثبیت دی اکسید کربن
2) تجزیه ATP و آزاد شدن انرژی
3) سنتز گلوکز
4) سنتز مولکول های ATP
5) تحریک کلروفیل

پاسخ

فتوسنتز
اندامک های سلولی و ساختار آنها را که در فرآیند فتوسنتز دخیل هستند انتخاب کنید.
1) لیزوزوم ها
2) کلروپلاست ها
3) تیلاکوئیدها
4) غلات
5) واکوئل ها
6) ریبوزوم ها

پاسخ

فتوسنتز به جز
تمام ویژگی‌های زیر به جز دو مورد را می‌توان برای توصیف فرآیند فتوسنتز استفاده کرد. دو مشخصه را که از لیست کلی خارج می شوند، شناسایی کنید و اعدادی را که در پاسخ شما در زیر آنها نشان داده شده اند، یادداشت کنید.
1) انرژی نور برای انجام فرآیند استفاده می شود.
2) این فرآیند در حضور آنزیم ها رخ می دهد.
3) نقش مرکزی در فرآیند متعلق به مولکول کلروفیل است.
4) این فرآیند با تجزیه مولکول گلوکز همراه است.
5) این فرآیند نمی تواند در سلول های پروکاریوتی رخ دهد.

پاسخ

جدول را تجزیه و تحلیل کنید. سلول های خالی جدول را با استفاده از مفاهیم و اصطلاحات موجود در لیست پر کنید. برای هر سلول دارای حروف، عبارت مناسب را از لیست ارائه شده انتخاب کنید.
1) غشاهای تیلاکوئید
2) فاز سبک
3) تثبیت کربن غیر آلی
4) فتوسنتز آب
5) فاز تاریک
6) سیتوپلاسم سلولی

پاسخ

جدول "واکنش های فتوسنتز" را تجزیه و تحلیل کنید. برای هر حرف، عبارت مربوطه را از لیست ارائه شده انتخاب کنید.
1) فسفوریلاسیون اکسیداتیو
2) اکسیداسیون NADP-2H
3) غشاهای تیلاکوئید
4) گلیکولیز
5) افزودن دی اکسید کربن به پنتوز
6) تشکیل اکسیژن
7) تشکیل ریبولوز دی فسفات و گلوکز
8) سنتز 38 ATP

پاسخ

با استفاده از نمادهای عددی، عبارت‌های گمشده از فهرست پیشنهادی را در متن "سنتز مواد آلی در گیاه" وارد کنید. اعداد انتخاب شده را به ترتیب متناسب با حروف یادداشت کنید. گیاهان انرژی لازم برای وجود خود را به شکل مواد آلی ذخیره می کنند. این مواد در طول __________ (A) سنتز می شوند. این فرآیند در سلول های برگ در __________ (B) رخ می دهد - پلاستیدهای ویژه رنگ سبز. آنها حاوی ماده سبز خاصی هستند - __________ (B). شرط لازم برای تشکیل مواد آلی علاوه بر آب و دی اکسید کربن __________ (D) است.
فهرست اصطلاحات:
1) تنفس
2) تبخیر
3) لکوپلاست
4) غذا
5) نور
6) فتوسنتز
7) کلروپلاست
8) کلروفیل

پاسخ

بین مراحل فرآیند و فرآیندها مطابقت برقرار کنید: 1) فتوسنتز، 2) بیوسنتز پروتئین. اعداد 1 و 2 را به ترتیب صحیح بنویسید.
الف) آزاد شدن اکسیژن آزاد
ب) تشکیل پیوند پپتیدی بین اسیدهای آمینه
ب) سنتز mRNA روی DNA
د) فرآیند ترجمه
د) بازیابی کربوهیدرات ها
ه) تبدیل NADP+ به NADP 2H

پاسخ

فتوسنتز مجموعه ای از فرآیندهای تشکیل انرژی نور به انرژی پیوندهای شیمیایی مواد آلی با مشارکت رنگ های فتوسنتزی است.

این نوع تغذیه مشخصه گیاهان، پروکاریوت ها و برخی از انواع یوکاریوت های تک سلولی است.

در طی سنتز طبیعی، کربن و آب در تعامل با نور به گلوکز و اکسیژن آزاد تبدیل می‌شوند:

6CO2 + 6H2O + انرژی نور → C6H12O6 + 6O2

فیزیولوژی گیاهی مدرن مفهوم فتوسنتز را به عنوان یک عملکرد فوتواتوتروفیک می‌داند، که مجموعه‌ای از فرآیندهای جذب، تبدیل و استفاده از کوانتوم‌های انرژی نور در واکنش‌های غیر خود به خودی مختلف، از جمله تبدیل دی اکسید کربن به ماده آلی است.

فاز

فتوسنتز در گیاهان در برگ ها از طریق کلروپلاست رخ می دهد- اندامک های دو غشایی نیمه مستقل متعلق به کلاس پلاستیدها. شکل تخت صفحات ورق جذب با کیفیت بالا و استفاده کامل از انرژی نور و دی اکسید کربن را تضمین می کند. آب مورد نیاز برای سنتز طبیعی، از طریق بافت رسانای آب از ریشه می آید. تبادل گاز از طریق انتشار از طریق روزنه و تا حدی از طریق کوتیکول انجام می شود.

کلروپلاست ها با استرومای بی رنگ پر شده و توسط لاملاها نفوذ می کنند که در صورت اتصال به یکدیگر، تیلاکوئیدها را تشکیل می دهند. در آنها است که فتوسنتز اتفاق می افتد. سیانوباکتری ها خود کلروپلاست هستند، بنابراین دستگاه سنتز طبیعی در آنها به اندامک جداگانه ای جدا نمی شود.

فتوسنتز ادامه می یابد با مشارکت رنگدانه هاکه معمولاً کلروفیل هستند. برخی از موجودات حاوی رنگدانه دیگری، کاروتنوئید یا فیکوبیلین هستند. پروکاریوت ها دارای رنگدانه باکتری کلروفیل هستند و این موجودات پس از اتمام سنتز طبیعی، اکسیژن آزاد نمی کنند.

فتوسنتز دو مرحله را طی می کند - روشن و تاریک. هر یک از آنها با واکنش های خاصی و مواد متقابل مشخص می شوند. بیایید نگاهی دقیق تر به روند مراحل فتوسنتز بیندازیم.

سبک

مرحله اول فتوسنتزبا تشکیل محصولات پر انرژی، که عبارتند از ATP، منبع انرژی سلولی، و NADP، عامل کاهنده، مشخص می شود. در پایان مرحله، اکسیژن به عنوان یک محصول جانبی تولید می شود. مرحله نور لزوماً با نور خورشید اتفاق می افتد.

فرآیند فتوسنتز در غشاهای تیلاکوئید با مشارکت پروتئین های انتقال الکترون، سنتتاز ATP و کلروفیل (یا رنگدانه های دیگر) اتفاق می افتد.

عملکرد زنجیره های الکتروشیمیایی، که از طریق آن الکترون ها و پروتون های هیدروژن تا حدی منتقل می شوند، در مجتمع های پیچیده تشکیل شده توسط رنگدانه ها و آنزیم ها تشکیل می شود.

شرح فرآیند فاز نور:

هنگامی که نور خورشید به تیغه های برگ موجودات گیاهی برخورد می کند، الکترون های کلروفیل در ساختار صفحات برانگیخته می شوند.
در حالت فعال، ذرات مولکول رنگدانه را ترک می کنند و در سمت بیرونی تیلاکوئید قرار می گیرند که بار منفی دارد. این به طور همزمان با اکسیداسیون و کاهش متعاقب مولکول های کلروفیل اتفاق می افتد که الکترون های بعدی را از آب ورودی به برگ ها می گیرد.
سپس فتولیز آب با تشکیل یون هایی اتفاق می افتد که الکترون اهدا می کنند و به رادیکال های OH تبدیل می شوند که می توانند در واکنش های بعدی شرکت کنند.
سپس این رادیکال‌ها ترکیب می‌شوند و مولکول‌های آب و اکسیژن آزاد آزاد شده در جو را تشکیل می‌دهند.
غشای تیلاکوئید در یک طرف به دلیل یون هیدروژن بار مثبت و از طرف دیگر به دلیل الکترون ها بار منفی پیدا می کند.
هنگامی که اختلاف 200 میلی ولت بین دو طرف غشاء ایجاد می شود، پروتون ها از طریق آنزیم سنتتاز ATP عبور می کنند که منجر به تبدیل ADP به ATP (فرایند فسفوریلاسیون) می شود.
با هیدروژن اتمی آزاد شده از آب، NADP + به NADP H2 کاهش می یابد.

در حالی که اکسیژن آزاد در طول واکنش ها به اتمسفر آزاد می شود، ATP و NADP H2 در فاز تاریک سنتز طبیعی شرکت می کنند.

تاریک

یک جزء اجباری برای این مرحله دی اکسید کربن استکه گیاهان به طور مداوم از طریق روزنه های موجود در برگ ها آن را از محیط خارجی جذب می کنند. فرآیندهای فاز تاریک در استرومای کلروپلاست انجام می شود. از آنجایی که در این مرحله انرژی خورشیدی زیادی مورد نیاز نیست و ATP و NADP H2 کافی در فاز نور تولید می‌شود، واکنش‌ها در ارگانیسم‌ها می‌تواند هم در روز و هم در شب رخ دهد. فرآیندها در این مرحله سریعتر از مرحله قبلی اتفاق می افتد.

مجموع تمام فرآیندهایی که در فاز تاریک رخ می دهند به شکل زنجیره ای منحصر به فرد از تبدیل های متوالی دی اکسید کربن که از محیط بیرونی می آیند ارائه می شود:

اولین واکنش در چنین زنجیره ای تثبیت دی اکسید کربن است. وجود آنزیم RiBP-کربوکسیلاز به سیر سریع و صاف واکنش کمک می کند، که منجر به تشکیل یک ترکیب شش کربنه می شود که به 2 مولکول اسید فسفوگلیسریک تجزیه می شود.
سپس یک چرخه نسبتا پیچیده رخ می دهد، از جمله تعداد معینی از واکنش ها، که پس از اتمام آن اسید فسفوگلیسریک به قند طبیعی - گلوکز تبدیل می شود. این فرآیند چرخه کالوین نامیده می شود.

همراه با شکر، تشکیل اسیدهای چرب، اسیدهای آمینه، گلیسرول و نوکلئوتیدها نیز رخ می دهد.

جوهر فتوسنتز

از جدول مقایسه فازهای روشن و تاریک سنتز طبیعی، می توانید ماهیت هر یک از آنها را به طور خلاصه شرح دهید. فاز نور در گرانای کلروپلاست با گنجاندن اجباری انرژی نور در واکنش رخ می دهد. این واکنش ها شامل اجزایی مانند پروتئین های انتقال الکترون، سنتتاز ATP و کلروفیل است که هنگام برهم کنش با آب، اکسیژن آزاد، ATP و NADP H2 را تشکیل می دهند. برای فاز تاریک، که در استرومای کلروپلاست رخ می دهد، نور خورشید ضروری نیست. ATP و NADP H2 به دست آمده در مرحله قبل، هنگام تعامل با دی اکسید کربن، قند طبیعی (گلوکز) را تشکیل می دهند.

همانطور که از مطالب بالا مشاهده می شود، به نظر می رسد فتوسنتز یک پدیده نسبتاً پیچیده و چند مرحله ای است، از جمله واکنش های بسیاری که شامل مواد مختلف می شود. در نتیجه سنتز طبیعی، اکسیژن به دست می آید که برای تنفس موجودات زنده و محافظت از آنها در برابر اشعه ماوراء بنفش از طریق تشکیل لایه اوزون ضروری است.

- سنتز مواد آلی از دی اکسید کربن و آب با استفاده اجباری از انرژی نور:

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

در گیاهان عالی، اندام فتوسنتز برگ است و اندامک های فتوسنتز کلروپلاست ها هستند (ساختار کلروپلاست ها - سخنرانی شماره 7). غشاهای تیلاکوئیدهای کلروپلاست حاوی رنگدانه های فتوسنتزی هستند: کلروفیل ها و کاروتنوئیدها. چند وجود دارد انواع متفاوتکلروفیل ( آ ب پ ت) اصلی ترین آن کلروفیل است آ. در مولکول کلروفیل، یک "سر" پورفیرین با یک اتم منیزیم در مرکز و یک "دم" فیتول قابل تشخیص است. "سر" پورفیرین یک ساختار مسطح است، آب دوست است و بنابراین روی سطح غشایی قرار دارد که رو به محیط آبی استروما است. فیتول "دم" آبگریز است و به همین دلیل مولکول کلروفیل را در غشاء حفظ می کند.

کلروفیل ها نور قرمز و آبی-بنفش را جذب می کنند، نور سبز را منعکس می کنند و بنابراین رنگ سبز مشخصه خود را به گیاهان می دهند. مولکول های کلروفیل در غشاهای تیلاکوئید به صورت سازماندهی شده اند فتوسیستم ها. گیاهان و جلبک های سبز آبی دارای فتوسیستم-1 و فتوسیستم-2 هستند، در حالی که باکتری های فتوسنتزی دارای فتوسیستم-1 هستند. فقط فتوسیستم-2 می تواند آب را تجزیه کند تا اکسیژن آزاد شود و از هیدروژن آب الکترون بگیرد.

فتوسنتز یک فرآیند پیچیده چند مرحله ای است. واکنش های فتوسنتز به دو گروه تقسیم می شوند: واکنش ها فاز نورو واکنش ها فاز تاریک.

فاز نور

این فاز تنها در حضور نور در غشاهای تیلاکوئید با مشارکت کلروفیل، پروتئین های انتقال الکترون و آنزیم سنتتاز ATP رخ می دهد. تحت تأثیر یک کوانتوم نور، الکترون های کلروفیل برانگیخته می شوند، مولکول را ترک می کنند و وارد قسمت بیرونی غشای تیلاکوئید می شوند که در نهایت بار منفی می شود. مولکول های کلروفیل اکسید شده کاهش می یابند و الکترون ها را از آب واقع در فضای داخل تیلاکوئید می گیرند. این منجر به تجزیه یا فتولیز آب می شود:

نور H 2 O + Q → H + + OH - .

یون های هیدروکسیل الکترون های خود را رها می کنند و به رادیکال های واکنشی تبدیل می شوند.OH:

OH - → .OH + e - .

رادیکال های OH ترکیب می شوند و آب و اکسیژن آزاد را تشکیل می دهند:

4 NO. → 2H 2 O + O 2.

در این حالت، اکسیژن به محیط خارجی خارج می شود و پروتون ها در داخل تیلاکوئید در "مخزن پروتون" جمع می شوند. در نتیجه، غشای تیلاکوئید از یک سو به دلیل H + بار مثبت و از سوی دیگر به دلیل الکترون ها بار منفی دارد. هنگامی که اختلاف پتانسیل بین دو طرف بیرونی و داخلی غشای تیلاکوئید به 200 میلی ولت می رسد، پروتون ها از طریق کانال های سنتتاز ATP رانده می شوند و ADP به ATP فسفریله می شود. هیدروژن اتمی برای بازگرداندن حامل خاص NADP + (نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید فسفات) به NADPH 2 استفاده می شود:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

بنابراین، در فاز نور، فتولیز آب رخ می دهد که با سه فرآیند مهم همراه است: 1) سنتز ATP. 2) تشکیل NADPH 2. 3) تشکیل اکسیژن. اکسیژن در جو پخش می شود، ATP و NADPH 2 به استرومای کلروپلاست منتقل می شوند و در فرآیندهای فاز تاریک شرکت می کنند.

1 - استرومای کلروپلاست؛ 2 - گرانا تیلاکوئید.

فاز تاریک

این مرحله در استرومای کلروپلاست رخ می دهد. واکنش های آن به انرژی نور نیاز ندارد، بنابراین نه تنها در نور، بلکه در تاریکی نیز رخ می دهد. واکنش‌های فاز تاریک زنجیره‌ای از دگرگونی‌های متوالی دی اکسید کربن (که از هوا می‌آیند) هستند که منجر به تشکیل گلوکز و سایر مواد آلی می‌شوند.

اولین واکنش در این زنجیره تثبیت دی اکسید کربن است. گیرنده دی اکسید کربن یک قند پنج کربنه است. ریبولوز بی فسفات(RiBF)؛ آنزیم واکنش را کاتالیز می کند ریبولوز بی فسفات کربوکسیلاز(RiBP carboxylase). در نتیجه کربوکسیلاسیون ریبولوز بیس فسفات، یک ترکیب شش کربنه ناپایدار تشکیل می شود که بلافاصله به دو مولکول تجزیه می شود. اسید فسفوگلیسریک(FGK). سپس چرخه ای از واکنش ها رخ می دهد که در آن اسید فسفوگلیسریک از طریق یک سری مواد واسطه به گلوکز تبدیل می شود. این واکنش ها از انرژی ATP و NADPH 2 که در فاز نوری تشکیل شده اند استفاده می کنند. چرخه این واکنش ها "چرخه کالوین" نامیده می شود:

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

علاوه بر گلوکز، مونومرهای دیگر ترکیبات آلی پیچیده در طول فتوسنتز تشکیل می شود - اسیدهای آمینه، گلیسرول و اسیدهای چرب، نوکلئوتیدها. در حال حاضر دو نوع فتوسنتز وجود دارد: فتوسنتز C 3 - و C 4.

ج 3-فتوسنتز

این نوعی فتوسنتز است که اولین محصول آن ترکیبات سه کربنه (C3) است. فتوسنتز C 3 قبل از فتوسنتز C 4 (M. Calvin) کشف شد. این فتوسنتز C3 است که در بالا، تحت عنوان "فاز تاریک" توضیح داده شده است. مشخصات C3-فتوسنتز: 1) پذیرنده دی اکسید کربن RiBP است، 2) واکنش کربوکسیلاسیون RiBP توسط کربوکسیلاز RiBP کاتالیز می شود، 3) در نتیجه کربوکسیلاسیون RiBP، یک ترکیب شش کربنی تشکیل می شود که به دو PGA تجزیه می شود. . FGK به بازیابی می شود تریوز فسفات(TF). مقداری از TF برای بازسازی RiBP استفاده می شود و مقداری به گلوکز تبدیل می شود.

1 - کلروپلاست؛ 2 - پراکسی زوم; 3- میتوکندری.

این جذب اکسیژن و آزادسازی دی اکسید کربن وابسته به نور است. در آغاز قرن گذشته مشخص شد که اکسیژن فتوسنتز را سرکوب می کند. همانطور که مشخص شد، برای کربوکسیلاز RiBP، بستر می تواند نه تنها دی اکسید کربن، بلکه اکسیژن نیز باشد:

O 2 + RiBP → فسفوگلیکولات (2C) + PGA (3C).

آنزیم RiBP oxygenase نام دارد. اکسیژن یک بازدارنده رقابتی تثبیت دی اکسید کربن است. گروه فسفات جدا می شود و فسفوگلیکولات به گلیکولات تبدیل می شود که گیاه باید از آن استفاده کند. وارد پراکسی زوم ها می شود و در آنجا به گلیسین اکسید می شود. گلایسین وارد میتوکندری می‌شود، جایی که اکسیده می‌شود و به سرین تبدیل می‌شود و کربن از قبل تثبیت شده به شکل CO2 از بین می‌رود. در نتیجه، دو مولکول گلیکولات (2C + 2C) به یک PGA (3C) و CO2 تبدیل می‌شوند. تنفس نوری منجر به کاهش 30-40 درصد عملکرد گیاهان C3 می شود. با 3 گیاه- گیاهانی که با فتوسنتز C 3 مشخص می شوند).

فتوسنتز C 4 فتوسنتزی است که در آن اولین محصول ترکیبات چهار کربنه (C 4) است. در سال 1965 مشخص شد که در برخی از گیاهان (نیشکر، ذرت، سورگوم، ارزن) اولین محصولات فتوسنتز اسیدهای چهار کربنه هستند. به این گیاهان می گفتند با 4 گیاه. در سال 1966، دانشمندان استرالیایی Hatch و Slack نشان دادند که گیاهان C4 عملاً تنفس نوری ندارند و دی اکسید کربن را بسیار موثرتر جذب می کنند. مسیر تبدیل کربن در گیاهان C 4 شروع به نامگذاری کرد توسط Hatch-Slack.

گیاهان C 4 با ساختار تشریحی خاصی برگ مشخص می شوند. همه بسته های عروقی توسط یک لایه دوگانه از سلول ها احاطه شده اند: لایه بیرونی سلول های مزوفیل است، لایه داخلی سلول های غلاف است. دی اکسید کربن در سیتوپلاسم سلول های مزوفیل ثابت می شود، پذیرنده است فسفونول پیرووات(PEP، 3C)، در نتیجه کربوکسیلاسیون PEP، اگزالواستات (4C) تشکیل می شود. فرآیند کاتالیز می شود PEP کربوکسیلاز. برخلاف RiBP کربوکسیلاز، PEP کربوکسیلاز تمایل بیشتری به CO 2 دارد و مهمتر از همه، با O 2 برهمکنش نمی کند. کلروپلاست های مزوفیل دارای دانه های زیادی هستند که در آنها واکنش های فاز سبک به طور فعال رخ می دهد. واکنش های فاز تاریک در کلروپلاست سلول های غلاف رخ می دهد.

اگزالواستات (4C) به مالات تبدیل می شود که از طریق پلاسمودسماتا به سلول های غلاف منتقل می شود. در اینجا کربوکسیله شده و هیدروژنه می شود تا پیروات، CO 2 و NADPH 2 تشکیل شود.

پیرووات به سلول های مزوفیل باز می گردد و با استفاده از انرژی ATP در PEP بازسازی می شود. CO 2 دوباره توسط کربوکسیلاز RiBP برای تشکیل PGA ثابت می شود. بازسازی PEP به انرژی ATP نیاز دارد، بنابراین تقریباً دو برابر انرژی فتوسنتز C 3 نیاز دارد.

معنی فتوسنتز

به لطف فتوسنتز، سالانه میلیاردها تن دی اکسید کربن از جو جذب می شود و میلیاردها تن اکسیژن آزاد می شود. فتوسنتز منبع اصلی تشکیل مواد آلی است. اکسیژن لایه اوزون را تشکیل می دهد که از موجودات زنده در برابر اشعه فرابنفش موج کوتاه محافظت می کند.

در طول فتوسنتز، یک برگ سبز تنها حدود 1٪ از انرژی خورشیدی را که بر روی آن می افتد استفاده می کند؛ بهره وری حدود 1 گرم ماده آلی در هر متر مربع از سطح در ساعت است.

شیمی سنتز

سنتز ترکیبات آلی از دی اکسید کربن و آب که نه به دلیل انرژی نور، بلکه به دلیل انرژی اکسیداسیون مواد معدنی انجام می شود، نامیده می شود. شیمی سنتز. موجودات شیمیایی شیمیایی شامل برخی از انواع باکتری ها هستند.

باکتری های نیتریفیک کنندهآمونیاک به نیتروژن و سپس به اسید نیتریک اکسید می شود (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

باکتری های آهنتبدیل آهن آهنی به آهن اکسیدی (Fe 2+ → Fe 3+).

باکتری های گوگردیسولفید هیدروژن را به گوگرد یا اسید سولفوریک اکسید کنید (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O ، H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

در نتیجه واکنش های اکسیداسیون مواد معدنی، انرژی آزاد می شود که توسط باکتری ها به شکل پیوندهای پر انرژی ATP ذخیره می شود. ATP برای سنتز مواد آلی استفاده می شود که مشابه واکنش های فاز تاریک فتوسنتز انجام می شود.

باکتری های شیمیایی شیمیایی به تجمع مواد معدنی در خاک، بهبود حاصلخیزی خاک، ارتقای تصفیه فاضلاب و غیره کمک می کنند.

رفتن به سخنرانی شماره 11مفهوم متابولیسم. بیوسنتز پروتئین ها

رفتن به سخنرانی شماره 13"روش های تقسیم سلول های یوکاریوتی: میتوز، میوز، آمیتوز"

مطابق با این، فتوسنتز کلروفیل و غیر کلروفیل متمایز می شود.

فتوسنتز غیر کلروفیل

سیستم فتوسنتز بدون کلروفیل با سادگی قابل توجه سازماندهی مشخص می شود، و بنابراین فرض می شود که به طور تکاملی مکانیزم اولیه برای ذخیره انرژی تابش الکترومغناطیسی است. بازده فتوسنتز بدون کلروفیل به عنوان مکانیزم تبدیل انرژی نسبتاً پایین است (فقط یک H + به ازای هر کوانتوم جذب شده منتقل می شود).

کشف در باستان های هالوفیل

دیتر اوسترهلت و والتر استوکنیوس نماینده ای از باستان های هالوفیل را در "غشاهای بنفش" شناسایی کردند. هالوباکتریوم سالیناریوم(نام سابق N. هالوبیوم) پروتئینی که بعداً باکتریورودوپسین نام گرفت. به زودی شواهدی جمع آوری شد که نشان می دهد باکتریورودوپسین یک مولد وابسته به نور شیب پروتون است. به طور خاص، فتوفسفوریلاسیون بر روی وزیکول های مصنوعی حاوی باکتریورودوپسین و سنتاز ATP میتوکندری، فوتوفسفوریلاسیون در سلول های دست نخورده نشان داده شد. H. salinariumافت pH محیط ناشی از نور و سرکوب تنفس، همه این اثرات با طیف جذب باکتریورودوپسین مرتبط است. بنابراین، شواهد انکارناپذیری از وجود فتوسنتز بدون کلروفیل به دست آمد.

سازوکار

دستگاه فتوسنتزی هالوباکتری های شدید ابتدایی ترین دستگاهی است که در حال حاضر شناخته شده است. فاقد زنجیره انتقال الکترون است. غشای سیتوپلاسمی هالوباکتری هایک غشای جفت کننده حاوی دو جزء اصلی است: یک پمپ پروتون وابسته به نور (باکتریورودوپسین) و ATP سنتاز. عملکرد چنین دستگاه فتوسنتزی بر اساس تحولات انرژی زیر است:

کروموفور باکتریورودوپسین، رتینال، کوانتوم های نور را جذب می کند، که منجر به تغییرات ساختاری در ساختار باکتریورودوپسین و انتقال پروتون از سیتوپلاسم به فضای پری پلاسم می شود. علاوه بر این، سهم اضافی به جزء الکتریکی گرادیان توسط واردات فعال وابسته به نور آنیون کلرید، که توسط هالورودوپسین ارائه می‌شود، ایجاد می‌شود. ] . بنابراین، در نتیجه کار باکتریورودوپسین، انرژی تابش خورشیدی به انرژی گرادیان الکتروشیمیایی پروتون ها روی غشاء تبدیل می شود.
در طول عملکرد سنتاز ATP، انرژی گرادیان گذرنده به انرژی پیوندهای شیمیایی ATP تبدیل می شود. بنابراین، جفت شیمی‌اسموتیک اتفاق می‌افتد.

با نوع فتوسنتز بدون کلروفیل (و همچنین با اجرای جریان های حلقوی در زنجیره های انتقال الکترون)، تشکیل معادل های احیا کننده (فردوکسین کاهش یافته یا NAD(P)H) لازم برای جذب دی اکسید کربن رخ نمی دهد. بنابراین، در طول فتوسنتز بدون کلروفیل، جذب دی اکسید کربن انجام نمی شود، بلکه تنها ذخیره انرژی خورشیدی به شکل ATP (فتوفسفوریلاسیون) انجام می شود.

معنی

راه اصلی برای به دست آوردن انرژی هالوباکتری ها، اکسیداسیون هوازی ترکیبات آلی است (در طول کشت از کربوهیدرات ها و اسیدهای آمینه استفاده می شود). در صورت کمبود اکسیژن، علاوه بر فتوسنتز بدون کلروفیل، تنفس نیترات بی هوازی یا تخمیر آرژنین و سیترولین می تواند به عنوان منبع انرژی برای هالوباکتری ها باشد. با این حال، این آزمایش نشان داد که فتوسنتز بدون کلروفیل همچنین می تواند به عنوان تنها منبع انرژی تحت شرایط بی هوازی عمل کند، زمانی که تنفس و تخمیر بی هوازی سرکوب می شود. شرط اجباریکه شبکیه به محیط وارد می شود که سنتز آن به اکسیژن نیاز دارد.

فتوسنتز کلروفیل

فتوسنتز کلروفیل با فتوسنتز باکتریورودوپسین به دلیل راندمان ذخیره انرژی به میزان قابل توجهی متفاوت است. برای هر کوانتوم جذب شده تابش، حداقل یک H + بر خلاف گرادیان منتقل می شود و در برخی موارد انرژی به شکل ترکیبات کاهش یافته (فردوکسین، NADP) ذخیره می شود.

بدون اکسیژن

فتوسنتز بدون اکسیژن (یا بدون اکسیژن) بدون آزاد شدن اکسیژن اتفاق می افتد. باکتری های بنفش و سبز و همچنین هلیو باکتری ها قادر به فتوسنتز بدون اکسیژن هستند.

با فتوسنتز بدون اکسیژن، ممکن است:

انتقال چرخه‌ای الکترون وابسته به نور، همراه با تشکیل معادل‌های کاهنده نیست و منحصراً منجر به ذخیره انرژی نور به شکل ATP می‌شود. با انتقال چرخه‌ای الکترون وابسته به نور، نیازی به اهداکننده‌های الکترون برون‌زا وجود ندارد. نیاز به کاهش معادل ها به صورت غیر فوتوشیمیایی، معمولاً از طریق ترکیبات آلی برون زا برآورده می شود.
انتقال الکترون غیر حلقوی وابسته به نور، همراه با تشکیل معادل های کاهنده و سنتز ADP. در این حالت نیاز به الکترون دهنده های اگزوژن وجود دارد که برای پر کردن جای خالی الکترون در مرکز واکنش ضروری است. هم عوامل کاهنده آلی و هم غیر آلی می توانند به عنوان دهنده الکترون برون زا استفاده شوند. در میان ترکیبات معدنی، بیشترین استفاده از انواع احیا شده گوگرد (سولفید هیدروژن، گوگرد مولکولی، سولفیت ها، تیوسولفات ها، تتراتیونات ها، تیوگلیکولات ها) و هیدروژن مولکولی نیز قابل استفاده است.

اکسیژنی

فتوسنتز اکسیژنی (یا اکسیژنی) با آزاد شدن اکسیژن به عنوان یک محصول جانبی همراه است. در فتوسنتز اکسیژنی، انتقال الکترون غیر حلقوی اتفاق می افتد، اگرچه تحت شرایط فیزیولوژیکی خاص، انتقال الکترون به طور انحصاری چرخه ای رخ می دهد. یک الکترون دهنده بسیار ضعیف - آب - به عنوان دهنده الکترون در یک جریان غیر حلقوی استفاده می شود.

فتوسنتز اکسیژنی بسیار گسترده تر است. ویژگی گیاهان عالی، جلبک ها، بسیاری از پروتیست ها و سیانوباکتری ها.

مراحل

فتوسنتز فرآیندی با سازماندهی فضایی و زمانی بسیار پیچیده است.

گسترش زمان مشخصه مراحل مختلف فتوسنتز 19 مرتبه بزرگی است: سرعت جذب کوانتوم های نور و مهاجرت انرژی در بازه فمتوثانیه (10-15 ثانیه) اندازه گیری می شود، سرعت انتقال الکترون دارای زمان های مشخصه 10- است. 10-10-2 ثانیه، و فرآیندهای مرتبط با رشد گیاهان در روز اندازه گیری می شوند (10 5-10 7 ثانیه).

همچنین، تنوع زیادی در اندازه مشخصه ساختارهایی است که فتوسنتز را تضمین می کند: از سطح مولکولی (27-10 مترمکعب) تا سطح فیتوسنوزها (105 مترمکعب).

در فتوسنتز، مراحل فردی را می توان متمایز کرد که از نظر ماهیت و سرعت مشخصه فرآیندها متفاوت است:

فوتوفیزیکی؛
فتوشیمیایی؛
شیمیایی:
- واکنش های انتقال الکترون؛
- واکنش های "تاریک" یا چرخه های کربن در طول فتوسنتز.

در مرحله اول، کوانتوم های نور توسط رنگدانه ها جذب می شوند، انتقال آنها به حالت برانگیخته و انتقال انرژی به مولکول های دیگر فتوسیستم. در مرحله دوم، بارها در مرکز واکنش از هم جدا می شوند، الکترون ها در طول زنجیره انتقال الکترون فتوسنتزی منتقل می شوند که به سنتز ATP و NADPH ختم می شود. دو مرحله اول در مجموع مرحله وابسته به نور فتوسنتز نامیده می شود. مرحله سوم بدون رخ می دهد مشارکت اجبارینور و شامل واکنش های بیوشیمیایی سنتز مواد آلی با استفاده از انرژی انباشته شده در مرحله وابسته به نور است. اغلب، چنین واکنش هایی به عنوان چرخه کالوین و گلوکونئوژنز، تشکیل قندها و نشاسته از دی اکسید کربن در هوا در نظر گرفته می شود.

محلی سازی فضایی

ورق

فتوسنتز گیاهی در کلروپلاست ها اتفاق می افتد - اندامک های دو غشایی نیمه مستقل متعلق به کلاس پلاستیدها. کلروپلاست ها را می توان در سلول های ساقه، میوه ها و کاسبرگ ها قرار داد، اما اندام اصلی فتوسنتز برگ است. از نظر تشریحی برای جذب انرژی نور و جذب دی اکسید کربن سازگار است. شکل صاف ورق، که نسبت سطح به حجم بزرگی را فراهم می کند، امکان استفاده کامل تر از انرژی نور خورشید را فراهم می کند. آب لازم برای حفظ تورور و فتوسنتز از سیستم ریشه از طریق آوند چوبی، یکی از بافت های رسانای گیاه، به برگ ها می رسد. از دست دادن آب به دلیل تبخیر از طریق روزنه و به میزان کمتر از طریق کوتیکول (تعرق) نیروی پیشرانحمل و نقل از طریق کشتی ها با این حال، تعرق بیش از حد نامطلوب است و گیاهان سازگاری های مختلفی را با هدف کاهش از دست دادن آب ایجاد کرده اند. خروج مواد جذب شده، لازم برای عملکرد چرخه کالوین، از طریق آبکش اتفاق می افتد. با فتوسنتز شدید، کربوهیدرات ها می توانند پلیمریزه شوند و در همان زمان دانه های نشاسته در کلروپلاست ها تشکیل می شوند. تبادل گاز (دریافت دی اکسید کربن و آزادسازی اکسیژن) با انتشار از طریق روزنه انجام می شود (برخی از گازها از طریق کوتیکول حرکت می کنند).

از آنجایی که کمبود دی اکسید کربن به طور قابل توجهی از دست دادن مواد جذب شده را در طی تنفس نوری افزایش می دهد، حفظ غلظت بالای دی اکسید کربن در فضای بین سلولی ضروری است که با روزنه های باز امکان پذیر است. با این حال، باز نگه داشتن روزنه ها در طول درجه حرارت بالامنجر به افزایش تبخیر آب می شود که منجر به کمبود آب و همچنین کاهش بهره وری فتوسنتز می شود. این تعارض مطابق با اصل سازش تطبیقی حل می شود. علاوه بر این، جذب اولیه دی اکسید کربن در شب، در دماهای پایین، در گیاهان با فتوسنتز CAM به فرد امکان می دهد از تلفات زیاد آب ناشی از تعرق جلوگیری شود.

فتوسنتز در سطح بافت

در سطح بافت، فتوسنتز در گیاهان عالی توسط بافت تخصصی - کلرانشیم انجام می شود. در نزدیکی سطح بدن گیاه قرار دارد، جایی که انرژی نوری کافی دریافت می کند. به طور معمول، کلرانشیم مستقیماً در زیر اپیدرم یافت می شود. در گیاهانی که در شرایط افزایش تابش نور رشد می کنند، ممکن است یک یا دو لایه سلول شفاف (هیپودرم) بین اپیدرم و کلرانشیم قرار گرفته و پراکندگی نور را فراهم کند. در برخی از گیاهان سایه دوست، اپیدرم نیز سرشار از کلروپلاست است (مثلاً خاکشیر چوبی). غالباً کلرانشیم مزوفیل برگ به شکل پله ای (ستونی) و اسفنجی تمایز می یابد، اما می تواند از سلول های همگن نیز تشکیل شود. در مورد تمایز، کلرانشیم پالیسید غنی ترین کلروپلاست است.

کلروپلاست ها

فضای داخلی کلروپلاست با محتویات بی رنگ (استروما) پر شده و توسط غشاها (لاملاها) نفوذ می کند که با اتصال به یکدیگر، تیلاکوئیدها را تشکیل می دهند که به نوبه خود در دسته هایی به نام گرانا گروه بندی می شوند. فضای داخل تیلاکوئید جدا شده است و با بقیه استروما ارتباط برقرار نمی کند. همچنین فرض بر این است که فضای داخلی همه تیلاکوئیدها با یکدیگر ارتباط دارند. مراحل نوری فتوسنتز به غشاها محدود می شود؛ تثبیت اتوتروفی CO 2 در استروما رخ می دهد.

کلروپلاست ها DNA، RNA، ریبوزوم های خاص خود را دارند (نوع 70)، و سنتز پروتئین اتفاق می افتد (اگرچه این فرآیند از هسته کنترل می شود). آنها دوباره سنتز نمی شوند، بلکه از تقسیم موارد قبلی تشکیل می شوند. همه اینها باعث شد که آنها را نوادگان سیانوباکترهای آزاد در نظر بگیریم که در طی فرآیند همزیستی بخشی از سلول یوکاریوتی شدند.

غشاهای فتوسنتزی پروکاریوت ها

جوهر فتوشیمیایی فرآیند

فتوسیستم I

کمپلکس برداشت نور I حاوی تقریباً 200 مولکول کلروفیل است.

در مرکز واکنش اولین فتوسیستم یک دایمر از کلروفیل a با حداکثر جذب در 700 نانومتر وجود دارد (P 700). پس از تحریک توسط یک کوانتوم نوری، گیرنده اولیه - کلروفیل a را که پذیرنده ثانویه است (ویتامین K 1 یا فیلوکینون) بازیابی می کند، پس از آن الکترون به فرودوکسین منتقل می شود که با استفاده از آنزیم فرودوکسین-NADP ردوکتاز NADP را بازیابی می کند.

پروتئین پلاستوسیانین که در کمپلکس b 6 f احیا شده است، از سمت فضای داخل تیلاکوئید به مرکز واکنش اولین فتوسیستم منتقل می شود و یک الکترون را به P700 اکسید شده منتقل می کند.

انتقال الکترون چرخه ای و شبه حلقه ای

علاوه بر مسیر کامل الکترونی غیر حلقوی که در بالا توضیح داده شد، یک مسیر چرخه ای و شبه چرخه ای نیز کشف شده است.

ماهیت مسیر چرخه ای این است که فرودوکسین، به جای NADP، پلاستوکینون را کاهش می دهد، که آن را به کمپلکس b 6 f منتقل می کند. این منجر به شیب پروتون بزرگتر و ATP بیشتر می شود، اما NADPH وجود ندارد.

در مسیر شبه حلقه ای، فردوکسین اکسیژن را کاهش می دهد که بیشتر به آب تبدیل می شود و می تواند در فتوسیستم II استفاده شود. در این حالت NADPH نیز تشکیل نمی شود.

فاز تاریک

در مرحله تاریک، با مشارکت ATP و NADP، CO 2 به گلوکز کاهش می یابد (C 6 H 12 O 6). اگرچه نور برای این فرآیند لازم نیست، اما در تنظیم آن نقش دارد.

فتوسنتز C 3، چرخه کالوین

در مرحله دوم FHA در دو مرحله بازیابی می شود. ابتدا توسط ATP تحت اثر فسفروگلیسروکیناز با تشکیل اسید 1،3-دی فسفوگلیسریک (DPGA) فسفریله می شود، سپس تحت تأثیر تریوسفسفات دهیدروژناز و NADPH، گروه آسیل فسفات DPGA دفسفریله شده و به یک کاهش می یابد. آلدهید و گلیسرآلدئید-3-فسفات - کربوهیدرات فسفریله (PHA) تشکیل می شود.

مرحله سوم شامل 5 مولکول PHA است که از طریق تشکیل ترکیبات 4-، 5-، 6- و 7-کربنی، به 3 5-کربن ریبولوز-1،5-بی فسفات ترکیب می شوند که به 3ATP نیاز دارد.

در نهایت، دو PHA برای سنتز گلوکز مورد نیاز است. برای تشکیل یکی از مولکول های آن، 6 دور چرخه، 6 CO 2، 12 NADPH و 18 ATP مورد نیاز است.

C4 فتوسنتز

تفاوت این مکانیسم فتوسنتز با مکانیسم معمول در این است که تثبیت دی اکسید کربن و استفاده از آن در فضا، بین سلول های مختلف گیاه تقسیم می شود.

در غلظت کم CO 2 محلول در استروما، ریبولوز بی فسفات کربوکسیلاز واکنش اکسیداسیون ریبولوز-1،5-بی فسفات و تجزیه آن به اسید 3-فسفوگلیسریک و اسید فسفوگلیکولیک را کاتالیز می کند، که مجبور به استفاده در فرآیند تنفس نوری می شود. .

برای افزایش غلظت CO 2، گیاهان نوع 4 C آناتومی برگ خود را تغییر دادند. در آنها، چرخه کالوین در سلول های غلاف بسته عروقی قرار می گیرد؛ در سلول های مزوفیل، تحت تأثیر PEP کربوکسیلاز، فسفونول پیرووات کربوکسیله می شود و اسید اگزالواستیک را تشکیل می دهد که به مالات یا آسپارتات تبدیل می شود و به سلول های غلاف منتقل می شود. ، جایی که دکربوکسیله می شود و پیروات تشکیل می دهد که به سلول های مزوفیل بازگردانده می شود.

C4-فتوسنتز عملاً با از دست دادن ریبولوز-1،5-بی فسفات از چرخه کالوین همراه نیست و بنابراین کارآمدتر است. با این حال، برای سنتز 1 مولکول گلوکز به 18، بلکه 30 ATP نیاز دارد. این امر در مناطق استوایی توجیه می شود، جایی که آب و هوای گرم مستلزم بسته نگه داشتن روزنه است، که از ورود CO 2 به برگ جلوگیری می کند، و همچنین با یک استراتژی زندگی بدخیم.

حدود 7600 گونه گیاهی فتوسنتز را از طریق مسیر C4 انجام می دهند. همه آنها متعلق به خانواده گلدار هستند: بسیاری از غلات (61٪ از گونه ها، از جمله انواع کشت - ذرت، نیشکر و سورگوم و غیره)، میخک (بیشترین سهم در خانواده Chenopoaceae - 40٪ از گونه ها، Amaranthaceae - 25). %)، برخی Sedgeaceae، Asteraceae، Brassicas، Euphorbiaceae.

فتوسنتز CAM

پیدایش روی زمین بیش از 3 میلیارد سال پیش مکانیسمی برای شکافتن یک مولکول آب توسط کوانتومی نور خورشید با تشکیل O 2 است. مهمترین رویداددر تکامل بیولوژیکی، که نور خورشید را به منبع اصلی انرژی در بیوسفر تبدیل کرد.

انرژی به دست آمده توسط بشر از سوزاندن سوخت های فسیلی (زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی، ذغال سنگ نارس) نیز در فرآیند فتوسنتز ذخیره می شود.

فتوسنتز به عنوان ورودی اصلی کربن معدنی به چرخه بیوژئوشیمیایی عمل می کند.

فتوسنتز اساس بهره وری گیاهان مهم کشاورزی است.

بیشتر اکسیژن آزاد موجود در اتمسفر منشأ بیوژنیک دارد و می باشد محصول جانبیفتوسنتز تشکیل اتمسفر اکسید کننده (فاجعه اکسیژن) وضعیت سطح زمین را کاملاً تغییر داد، ظاهر تنفس را ممکن کرد و بعدها پس از تشکیل لایه اوزون، امکان وجود حیات در خشکی فراهم شد.

تاریخچه مطالعه

اولین آزمایشات در مطالعه فتوسنتز توسط جوزف پریستلی در دهه 1780 انجام شد، زمانی که او توجه را به "فاسد شدن" هوا در یک ظرف مهر و موم شده با شمع سوزان جلب کرد (هوا از احتراق حمایت نمی کند و حیوانات در آن قرار می گیرند. خفه شد) و "اصلاح" آن توسط گیاهان. پریستلی به این نتیجه رسید که گیاهان اکسیژن تولید می کنند که برای تنفس و احتراق لازم است، اما متوجه نشد که گیاهان برای این کار به نور نیاز دارند. این به زودی توسط یان اینگنهاوس نشان داده شد.

بعدها مشخص شد که گیاهان علاوه بر آزاد کردن اکسیژن، دی اکسید کربن را جذب کرده و با مشارکت آب، مواد آلی را در نور سنتز می کنند. بر اساس قانون بقای انرژی، رابرت مایر فرض کرد که گیاهان انرژی نور خورشید را به انرژی پیوندهای شیمیایی تبدیل می کنند. در W. Pfeffer این فرآیند را فتوسنتز نامید.

کلروفیل ها ابتدا توسط P.J. Pelletier و J. Cavanto جدا شدند. M. S. Tsvet موفق شد با استفاده از روش کروماتوگرافی که ایجاد کرده بود، رنگدانه ها را جدا کرده و آنها را جداگانه مطالعه کند. طیف جذب کلروفیل توسط K. A. Timiryazev مورد مطالعه قرار گرفت که با توسعه اصول مایر نشان داد که این پرتوهای جذب شده است که امکان افزایش انرژی سیستم را فراهم می کند و به جای پرتوهای ضعیف ایجاد می کند. اتصالات C-Oو O-H پرانرژی C-C (قبل از این اعتقاد بر این بود که فتوسنتز از پرتوهای زرد رنگی استفاده می کند که توسط رنگدانه های برگ جذب نمی شوند). این به لطف روشی که او برای محاسبه فتوسنتز بر اساس CO 2 جذب شده ایجاد کرد انجام شد: در طی آزمایشات روی روشن کردن یک گیاه با نور با طول موج های مختلف ( رنگ متفاوت) مشخص شد که شدت فتوسنتز با طیف جذبی کلروفیل منطبق است.

جوهر ردوکس فتوسنتز (هم اکسیژنی و هم بدون اکسیژن) توسط کورنلیس ون نیل فرض شد، که در سال 1931 ثابت کرد که باکتری های بنفش و باکتری های گوگرد سبز فتوسنتز بدون اکسیژن را انجام می دهند. ماهیت ردوکس فتوسنتز به این معنی است که اکسیژن در فتوسنتز اکسیژنی به طور کامل از آب تشکیل می شود که به طور تجربی در A.P. Vinogradov در آزمایش هایی با برچسب ایزوتوپی تأیید شد. رابرت هیل دریافت که فرآیند اکسیداسیون آب (و آزادسازی اکسیژن) و جذب CO 2 را می توان از هم جدا کرد. در - gg. دی آرنون مکانیسم مراحل نوری فتوسنتز را ایجاد کرد و ماهیت فرآیند جذب CO 2 توسط ملوین کالوین با استفاده از ایزوتوپ های کربن در پایان آشکار شد.

شاید خواندن آن مفید باشد: