معلومة

7.10: التفاعلات المعتمدة على الضوء لعملية التمثيل الضوئي - علم الأحياء

7.10: التفاعلات المعتمدة على الضوء لعملية التمثيل الضوئي - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

وصف التفاعلات المعتمدة على الضوء التي تحدث أثناء عملية التمثيل الضوئي

الغرض العام من التفاعلات المعتمدة على الضوء هو تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. ستستخدم دورة كالفين هذه الطاقة الكيميائية لتغذية تجميع جزيئات السكر.

تبدأ التفاعلات المعتمدة على الضوء في مجموعة من جزيئات الصباغ والبروتينات تسمى نظام ضوئي. توجد أنظمة ضوئية في أغشية الثايلاكويدات. يمتص جزيء الصباغ في النظام الضوئي فوتونًا واحدًا ، أو كمية أو "حزمة" من الطاقة الضوئية ، في المرة الواحدة.

يسافر فوتون من الطاقة الضوئية حتى يصل إلى جزيء الصباغ ، مثل الكلوروفيل. يتسبب الفوتون في إثارة إلكترون في الكلوروفيل. ثم تنتقل الطاقة المعطاة للإلكترون من جزيء صبغ إلى آخر حتى تصل إلى زوج من الكلوروفيل أ تسمى جزيئات مركز التفاعل. ثم تثير هذه الطاقة إلكترونًا في مركز التفاعل مما يؤدي إلى تحرره وتمريره إلى متقبل الإلكترون الأساسي. لذلك يُقال أن مركز التفاعل "يتبرع" بإلكترون لمستقبل الإلكترون الأساسي (الشكل 1).

لاستبدال الإلكترون في مركز التفاعل ، يتم تقسيم جزيء من الماء. يطلق هذا الانقسام إلكترونًا وينتج عنه تكوين الأكسجين (O2) وأيونات الهيدروجين (H+) في الفضاء الثايلاكويد. من الناحية الفنية ، يطلق كل كسر لجزيء الماء زوجًا من الإلكترونات ، وبالتالي يمكن أن يحل محل إلكترونين متبرعين.

يؤدي استبدال الإلكترون إلى تمكين مركز التفاعل من الاستجابة لفوتون آخر. تجد جزيئات الأكسجين التي يتم إنتاجها كمنتجات ثانوية طريقها إلى البيئة المحيطة. تلعب أيونات الهيدروجين أدوارًا مهمة في بقية التفاعلات المعتمدة على الضوء.

ضع في اعتبارك أن الغرض من التفاعلات المعتمدة على الضوء هو تحويل الطاقة الشمسية إلى ناقلات كيميائية سيتم استخدامها في دورة كالفين. في حقيقيات النوى ، يوجد نظامان ضوئيان ، الأول يسمى نظام الصور الثاني ، والذي تم تسميته بترتيب اكتشافه وليس لترتيب الوظيفة.

بعد أن يضرب الفوتون ، ينقل النظام الضوئي الثاني الإلكترون الحر إلى أول سلسلة من البروتينات داخل غشاء الثايلاكويد تسمى سلسلة نقل الإلكترون. عندما يمر الإلكترون على طول هذه البروتينات ، فإن الطاقة من الإلكترون تغذي مضخات الغشاء التي تحرك أيونات الهيدروجين بنشاط ضد تدرج تركيزها من السدى إلى فضاء الثايلاكويد. هذا مشابه تمامًا للعملية التي تحدث في الميتوكوندريا حيث تقوم سلسلة نقل الإلكترون بضخ أيونات الهيدروجين من سدى الميتوكوندريا عبر الغشاء الداخلي إلى الفضاء بين الغشاء ، مما يؤدي إلى إنشاء تدرج كهروكيميائي. بعد استخدام الطاقة ، يتم قبول الإلكترون بواسطة جزيء الصباغ في النظام الضوئي التالي ، والذي يسمى نظام الصور الأول (الشكل 2).

توليد ناقل للطاقة: ATP

في التفاعلات المعتمدة على الضوء ، يتم تخزين الطاقة التي يمتصها ضوء الشمس بواسطة نوعين من الجزيئات الحاملة للطاقة: ATP و NADPH. يتم تخزين الطاقة التي تحملها هذه الجزيئات في رابطة تحمل ذرة واحدة للجزيء. بالنسبة لـ ATP ، فهي عبارة عن ذرة فوسفات ، وبالنسبة لـ NADPH ، فهي عبارة عن ذرة هيدروجين. ستتم مناقشة NADH بشكل أكبر فيما يتعلق بالتنفس الخلوي ، والذي يحدث في الميتوكوندريا ، حيث يحمل الطاقة من دورة حمض الستريك إلى سلسلة نقل الإلكترون. عندما تطلق هذه الجزيئات الطاقة في دورة كالفين ، تفقد كل منها ذرات لتصبح الجزيئات منخفضة الطاقة ADP و NADP+.

يشكل تراكم أيونات الهيدروجين في الفضاء الثايلاكويد تدرجًا كهروكيميائيًا بسبب الاختلاف في تركيز البروتونات (H+) والفرق في الشحنة عبر الغشاء الذي يصنعونه. يتم حصاد هذه الطاقة الكامنة وتخزينها كطاقة كيميائية في ATP من خلال التناضح الكيميائي ، حركة أيونات الهيدروجين إلى أسفل التدرج الكهروكيميائي من خلال إنزيم الغشاء ATP synthase ، تمامًا كما هو الحال في الميتوكوندريون.

يُسمح لأيونات الهيدروجين بالمرور عبر غشاء الثايلاكويد من خلال مركب بروتيني مضمن يسمى سينسيز ATP. هذا البروتين نفسه أنتج ATP من ADP في الميتوكوندريا. تسمح الطاقة المتولدة عن تيار أيون الهيدروجين بتصنيع ATP لربط فوسفات ثالث بـ ADP ، والذي يشكل جزيء ATP في عملية تسمى الفسفرة الضوئية. يسمى تدفق أيونات الهيدروجين عبر سينسيز ATP بالتناضح الكيميائي ، لأن الأيونات تتحرك من منطقة ذات تركيز مرتفع إلى منخفض عبر بنية شبه نفاذة.

توليد ناقل طاقة آخر: NADPH

الوظيفة المتبقية للتفاعل المعتمد على الضوء هي توليد جزيء حامل الطاقة الآخر ، NADPH. عندما يصل الإلكترون من سلسلة نقل الإلكترون إلى النظام الضوئي الأول ، يتم إعادة تنشيطه بفوتون آخر تم التقاطه بواسطة الكلوروفيل. تقود الطاقة من هذا الإلكترون تكوين NADPH من NADP+ وأيون الهيدروجين (H+). الآن بعد أن تم تخزين الطاقة الشمسية في ناقلات الطاقة ، يمكن استخدامها لصنع جزيء السكر.

أهداف التعلم

في الجزء الأول من عملية التمثيل الضوئي ، التفاعل المعتمد على الضوء ، تمتص جزيئات الصبغة الطاقة من ضوء الشمس. الصباغ الأكثر شيوعًا ووفرة هو الكلوروفيل أ. يضرب الفوتون النظام الضوئي الثاني لبدء عملية التمثيل الضوئي. تنتقل الطاقة عبر سلسلة نقل الإلكترون ، والتي تضخ أيونات الهيدروجين في فضاء الثايلاكويد. هذا يشكل تدرج كهروكيميائي. تتدفق الأيونات عبر سينسيز ATP من حيز الثايلاكويد إلى السدى في عملية تسمى التناضح الكيميائي لتشكيل جزيئات ATP ، والتي تُستخدم لتشكيل جزيئات السكر في المرحلة الثانية من التمثيل الضوئي. يمتص النظام الضوئي الأول فوتونًا ثانيًا ، مما يؤدي إلى تكوين جزيء NADPH ، وهو ناقل طاقة آخر لتفاعلات دورة كالفين.

سؤال الممارسة

صف مسار الطاقة في التفاعلات المعتمدة على الضوء.

[إظهار الإجابة q = ”316164 ″] إظهار الإجابة [/ إظهار الإجابة]
[hidden-answer a = ”316164 ″] الطاقة موجودة في البداية كضوء. يضرب فوتون من الضوء على الكلوروفيل ، مما يتسبب في تنشيط الإلكترون. ينتقل الإلكترون الحر عبر سلسلة نقل الإلكترون ، وتُستخدم طاقة الإلكترون لضخ أيونات الهيدروجين في فضاء الثايلاكويد ، مما يؤدي إلى تحويل الطاقة إلى التدرج الكهروكيميائي. تُستخدم طاقة التدرج الكهروكيميائي لتشغيل سينسيز ATP ، ويتم نقل الطاقة إلى رابطة في جزيء ATP. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الطاقة من فوتون آخر لإنشاء رابطة عالية الطاقة في الجزيء NADPH. [/ hidden-answer]


42 التفاعلات المعتمدة على الضوء لعملية التمثيل الضوئي

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • اشرح كيف تمتص النباتات الطاقة من ضوء الشمس
  • وصف الأطوال الموجية القصيرة والطويلة للضوء
  • صف كيف وأين يحدث التمثيل الضوئي داخل النبات

كيف يمكن استخدام الطاقة الضوئية لصنع الطعام؟ عندما يقوم شخص ما بتشغيل المصباح ، تصبح الطاقة الكهربائية طاقة ضوئية. مثل جميع أشكال الطاقة الحركية الأخرى ، يمكن للضوء أن ينتقل ويغير شكله ويتم تسخيره للقيام بالعمل. في حالة التمثيل الضوئي ، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية ، والتي تستخدمها الضوئية لبناء جزيئات الكربوهيدرات الأساسية ((الشكل)). ومع ذلك ، فإن autotrophs تستخدم فقط عددًا قليلاً من الأطوال الموجية المحددة لأشعة الشمس.


ما هي الطاقة الضوئية؟

تبعث الشمس كمية هائلة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (الطاقة الشمسية في طيف من أشعة جاما القصيرة جدًا إلى موجات الراديو الطويلة جدًا). يمكن للبشر رؤية جزء صغير فقط من هذه الطاقة ، والتي نشير إليها باسم "الضوء المرئي". توصف الطريقة التي تنتقل بها الطاقة الشمسية بأنها موجات. يمكن للعلماء تحديد مقدار طاقة الموجة عن طريق قياس طولها الموجي (الأطوال الموجية الأقصر أقوى من الأطوال الموجية الأطول) - المسافة بين نقاط القمة المتتالية للموجة. لذلك ، يتم قياس موجة واحدة من نقطتين متتاليتين ، مثل من القمة إلى القمة أو من القاع إلى القاع ((الشكل)).


يشكل الضوء المرئي نوعًا واحدًا فقط من العديد من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس والنجوم الأخرى. يميز العلماء الأنواع المختلفة للطاقة المشعة عن الشمس ضمن الطيف الكهرومغناطيسي. الطيف الكهرومغناطيسي هو نطاق جميع الترددات الممكنة للإشعاع ((الشكل)). الفرق بين الأطوال الموجية يتعلق بكمية الطاقة التي تحملها.


ينتقل كل نوع من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي عند طول موجي معين. كلما زاد الطول الموجي ، قلت الطاقة التي يحملها. تحمل الموجات القصيرة والضيقة أكبر قدر من الطاقة. قد يبدو هذا غير منطقي ، لكن فكر في الأمر من منظور قطعة من حبل ثقيل متحرك. لا يتطلب الأمر سوى القليل من الجهد من قبل الشخص لتحريك الحبل في موجات طويلة وواسعة. لجعل الحبل يتحرك في موجات ضيقة قصيرة ، سيحتاج الشخص إلى بذل المزيد من الطاقة بشكل ملحوظ.

يُظهر الطيف الكهرومغناطيسي ((الشكل)) عدة أنواع من الإشعاع الكهرومغناطيسي الناشئ عن الشمس ، بما في ذلك الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية. يمكن لموجات الطاقة العالية أن تخترق الأنسجة وتتلف الخلايا والحمض النووي ، وهو ما يفسر لماذا يمكن أن تكون الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية ضارة بالكائنات الحية.

امتصاص الضوء

تبدأ الطاقة الضوئية في عملية التمثيل الضوئي عندما تمتص الأصباغ أطوال موجية محددة من الضوء المرئي. تحتوي الأصباغ العضوية ، سواء في شبكية العين أو ثيلاكويد البلاستيدات الخضراء ، على نطاق ضيق من مستويات الطاقة التي يمكنها امتصاصها. مستويات الطاقة الأقل من تلك التي يمثلها الضوء الأحمر غير كافية لرفع الإلكترون المداري إلى حالة مثارة (كمومية). ستؤدي مستويات الطاقة الأعلى من تلك الموجودة في الضوء الأزرق إلى تمزيق الجزيئات جسديًا ، في عملية تسمى التبييض. يمكن لأصباغ شبكية العين "رؤية" (امتصاص) أطوال موجية تتراوح بين 700 نانومتر و 400 نانومتر من الضوء ، وهو طيف يسمى بالتالي الضوء المرئي. للأسباب نفسها ، تمتص جزيئات الصباغ النباتات الضوء فقط في نطاق الطول الموجي من 700 نانومتر إلى 400 نانومتر. يشير علماء فسيولوجيا النبات إلى هذا النطاق للنباتات على أنه إشعاع نشط ضوئيًا.

الضوء المرئي الذي يراه البشر على أنه ضوء أبيض موجود في الواقع في قوس قزح من الألوان. تقوم أشياء معينة ، مثل المنشور أو قطرة ماء ، بتشتيت الضوء الأبيض للكشف عن الألوان للعين البشرية. يُظهر جزء الضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي قوس قزح من الألوان ، مع البنفسجي والأزرق بأطوال موجية أقصر ، وبالتالي طاقة أعلى. في الطرف الآخر من الطيف باتجاه اللون الأحمر ، تكون الأطوال الموجية أطول ولديها طاقة أقل ((الشكل)).


فهم الصبغات

توجد أنواع مختلفة من الأصباغ ، وكل منها يمتص فقط أطوال موجية محددة (ألوان) من الضوء المرئي. تعكس الأصباغ أو تنقل الأطوال الموجية التي لا تستطيع امتصاصها ، مما يجعلها تبدو مزيجًا من ألوان الضوء المنعكسة أو المنقولة.

الكلوروفيل والكاروتينات هما الفئتان الرئيسيتان من أصباغ التمثيل الضوئي الموجودة في النباتات والطحالب ولكل فئة أنواع متعددة من جزيئات الصباغ. هناك خمسة أنواع رئيسية من الكلوروفيل: أ, ب, ج و د وجزيء ذو صلة موجود في بدائيات النوى يسمى جرثومي كلوروفيل. الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب توجد في البلاستيدات الخضراء النباتية الأعلى وستكون محور المناقشة التالية.

مع العشرات من الأشكال المختلفة ، فإن الكاروتينات هي مجموعة أكبر بكثير من الأصباغ. تُستخدم الكاروتينات الموجودة في الفاكهة - مثل أحمر الطماطم (اللايكوبين) ، أو أصفر بذور الذرة (زياكسانثين) ، أو برتقالة قشر البرتقال (كاروتين - كاروتين) - كإعلانات لجذب مشتتات البذور. في عملية التمثيل الضوئي ، تعمل الكاروتينات كأصباغ ضوئية وهي جزيئات فعالة للغاية للتخلص من الطاقة الزائدة. عندما تتعرض الورقة لأشعة الشمس الكاملة ، فإن التفاعلات المعتمدة على الضوء مطلوبة لمعالجة كمية هائلة من الطاقة إذا لم يتم التعامل مع هذه الطاقة بشكل صحيح ، فيمكن أن تحدث أضرارًا كبيرة. لذلك ، توجد العديد من الكاروتينات في غشاء الثايلاكويد ، وتمتص الطاقة الزائدة ، وتبدد هذه الطاقة بأمان كحرارة.

يمكن التعرف على كل نوع من الأصباغ من خلال النمط المحدد للأطوال الموجية التي يمتصها من الضوء المرئي: وهذا ما يسمى طيف الامتصاص. يوضح الرسم البياني في (الشكل) أطياف امتصاص الكلوروفيل أالكلوروفيل ب، ونوع من أصباغ الكاروتين يسمى بيتا كاروتين (الذي يمتص الضوء الأزرق والأخضر). لاحظ كيف أن لكل صبغة مجموعة مميزة من القمم والقيعان ، مما يكشف عن نمط امتصاص محدد للغاية. الكلوروفيل أ يمتص الأطوال الموجية من أي من طرفي الطيف المرئي (الأزرق والأحمر) ، ولكن ليس الأخضر. لأن اللون الأخضر ينعكس أو ينتقل ، يظهر الكلوروفيل باللون الأخضر. تمتص الكاروتينات في المنطقة الزرقاء ذات الطول الموجي القصير ، وتعكس الأطوال الموجية الأطول من الأصفر والأحمر والبرتقالي.


تحتوي العديد من كائنات التمثيل الضوئي على مزيج من الأصباغ ، وباستخدام هذه الأصباغ ، يمكن للكائن الحي امتصاص الطاقة من نطاق أوسع من الأطوال الموجية. لا تتمتع جميع الكائنات الحية الضوئية بوصول كامل إلى ضوء الشمس. تنمو بعض الكائنات الحية تحت الماء حيث تنخفض شدة الضوء وجودته وتتغير مع العمق. تنمو الكائنات الحية الأخرى في المنافسة على الضوء. يجب أن تكون النباتات في الغابة المطيرة قادرة على امتصاص أي جزء من الضوء الذي يأتي من خلالها ، لأن الأشجار الأطول تمتص معظم ضوء الشمس وتبعثر الإشعاع الشمسي المتبقي ((الشكل)).


عند دراسة كائن التمثيل الضوئي ، يمكن للعلماء تحديد أنواع الأصباغ الموجودة عن طريق توليد أطياف الامتصاص. يمكن لأداة تسمى مقياس الطيف الضوئي أن تفرق بين الأطوال الموجية للضوء التي يمكن للمادة أن تمتصها. تقيس أجهزة قياس الطيف الضوئي الضوء المرسل وتحسب الامتصاص منه. عن طريق استخراج أصباغ من الأوراق ووضع هذه العينات في مقياس الطيف الضوئي ، يمكن للعلماء تحديد الأطوال الموجية للضوء التي يمكن للكائن الحي امتصاصها. تتضمن الطرق الإضافية لتحديد أصباغ النبات أنواعًا مختلفة من الكروماتوغرافيا التي تفصل الأصباغ حسب صلاتها النسبية مع الأطوار الصلبة والمتحركة.

كيف تعمل التفاعلات المعتمدة على الضوء

تتمثل الوظيفة العامة للتفاعلات المعتمدة على الضوء في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية على شكل NADPH و ATP. تدعم هذه الطاقة الكيميائية التفاعلات المستقلة للضوء وتغذي تجميع جزيئات السكر. التفاعلات المعتمدة على الضوء موضحة في (الشكل). تعمل مجمعات البروتين وجزيئات الصبغة معًا لإنتاج NADPH و ATP. يُشتق ترقيم الأنظمة الضوئية من ترتيب اكتشافها ، وليس من ترتيب نقل الإلكترونات.


تحدث الخطوة الفعلية التي تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية في مجمع متعدد البروتينات يسمى نظام ضوئي ، يوجد نوعان منها مضمن في غشاء الثايلاكويد: النظام الضوئي II (PSII) ونظام الصور الأول (PSI) ((الشكل)). يختلف المركبان على أساس ما يؤكسدانه (أي مصدر إمداد الإلكترون منخفض الطاقة) وما يختزلانه (المكان الذي يوصلون إليه إلكتروناتهم المنشطة).

كلا النظامين الضوئي لهما نفس البنية الأساسية لعدد من بروتينات الهوائي التي ترتبط بها جزيئات الكلوروفيل تحيط بمركز التفاعل حيث تحدث الكيمياء الضوئية. تتم خدمة كل نظام ضوئي من خلال مجمع حصاد الضوء ، والذي ينقل الطاقة من ضوء الشمس إلى مركز التفاعل ، ويتكون من بروتينات هوائي متعددة تحتوي على خليط من 300 إلى 400 كلوروفيل أ و ب الجزيئات بالإضافة إلى أصباغ أخرى مثل الكاروتينات. إن امتصاص فوتون واحد أو كمية مميزة أو "حزمة" من الضوء بواسطة أي من الكلوروفيل يدفع ذلك الجزيء إلى حالة مثارة. باختصار ، تم التقاط الطاقة الضوئية الآن بواسطة الجزيئات البيولوجية ولكن لم يتم تخزينها بأي شكل مفيد حتى الآن. يتم نقل الطاقة من الكلوروفيل إلى الكلوروفيل حتى يتم تسليمها في النهاية (بعد حوالي جزء من المليون من الثانية) إلى مركز التفاعل. حتى هذه النقطة ، تم نقل الطاقة فقط بين الجزيئات ، وليس بين الإلكترونات.


ما هو المصدر الأولي للإلكترونات لسلسلة نقل الإلكترون البلاستيدات الخضراء؟

يحتوي مركز التفاعل على زوج من الكلوروفيل أ جزيئات ذات خاصية خاصة. يمكن أن يخضع هذان الكلوروفيل للأكسدة عند الإثارة ، ويمكنهما في الواقع التخلي عن إلكترون في عملية تسمى تأثير ضوئي. في هذه الخطوة في مركز التفاعل أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى إلكترون متحمس. تتضمن جميع الخطوات اللاحقة الحصول على هذا الإلكترون على حامل الطاقة NADPH لتسليمه إلى دورة كالفين حيث يتم ترسيب الإلكترون على الكربون لتخزينه على المدى الطويل على شكل كربوهيدرات. PSII و PSI هما مكونان رئيسيان في سلسلة نقل الإلكترون الضوئي ، والتي تشمل أيضًا مجمع السيتوكروم. ينقل مركب السيتوكروم ، وهو إنزيم يتكون من مركبين بروتينيين ، الإلكترونات من الجزيء الناقل بلاستوكينون (Pq) إلى بروتين بلاستوسيانين (Pc) ، مما يتيح نقل البروتونات عبر غشاء الثايلاكويد ونقل الإلكترونات من PSII إلى PSI.

يسلم مركز تفاعل PSII (المسمى P680) إلكتروناته عالية الطاقة ، واحدًا تلو الآخر ، إلى متقبل الإلكترون الأساسي ، ومن خلال سلسلة نقل الإلكترون (Pq إلى مجمع السيتوكروم إلى البلاستوسيانين) إلى PSI. يتم استبدال الإلكترون المفقود لـ P680 عن طريق استخراج إلكترون منخفض الطاقة من الماء وبالتالي ، يتم "تقسيم" الماء خلال هذه المرحلة من البناء الضوئي ، ويتم إعادة تقليل PSII بعد كل تأثير ضوئي. تقسيم واحد H.2يطلق جزيء O إلكترونين ، وذرتين من الهيدروجين ، وذرة واحدة من الأكسجين. ومع ذلك ، فإن تقسيم جزيئين مطلوب لتكوين جزيء واحد من ثنائي الذرة O2 غاز. يتم استخدام حوالي 10 في المائة من الأكسجين بواسطة الميتوكوندريا في الورقة لدعم الفسفرة المؤكسدة. يهرب الباقي إلى الغلاف الجوي حيث تستخدمه الكائنات الهوائية لدعم التنفس.

عندما تتحرك الإلكترونات عبر البروتينات الموجودة بين PSII و PSI ، فإنها تفقد الطاقة. تُستخدم هذه الطاقة لنقل ذرات الهيدروجين من الجانب اللحمي للغشاء إلى تجويف الثايلاكويد. تتراكم ذرات الهيدروجين هذه ، بالإضافة إلى الذرات الناتجة عن تقسيم الماء ، في تجويف الثايلاكويد وسيتم استخدامها في تصنيع ATP في خطوة لاحقة. نظرًا لأن الإلكترونات فقدت طاقتها قبل وصولها إلى PSI ، يجب إعادة تنشيطها بواسطة PSI ، وبالتالي ، يتم امتصاص فوتون آخر بواسطة هوائي PSI. يتم نقل هذه الطاقة إلى مركز تفاعل PSI (يسمى P700). يتأكسد P700 ويرسل إلكترونًا عالي الطاقة إلى NADP + لتشكيل NADPH. وهكذا ، يلتقط PSII الطاقة لإنشاء تدرجات بروتون لصنع ATP ، ويلتقط PSI الطاقة لتقليل NADP + إلى NADPH. يعمل النظامان الضوئيان في تناغم جزئي ، لضمان أن إنتاج NADPH سيعادل تقريبًا إنتاج ATP. توجد آليات أخرى لضبط هذه النسبة لتتناسب تمامًا مع احتياجات الطاقة المتغيرة باستمرار للبلاستيدات الخضراء.

توليد ناقل طاقة: ATP

كما هو الحال في الفضاء بين الغشاء للميتوكوندريا أثناء التنفس الخلوي ، فإن تراكم أيونات الهيدروجين داخل تجويف الثايلاكويد يخلق تدرج التركيز. يتم تسخير الانتشار السلبي لأيونات الهيدروجين من التركيز العالي (في تجويف الثايلاكويد) إلى التركيز المنخفض (في السدى) لإنشاء ATP ، تمامًا كما هو الحال في سلسلة نقل الإلكترون للتنفس الخلوي. تقوم الأيونات بتكوين الطاقة بسبب الانتشار ولأن كل منها لها نفس الشحنة الكهربائية ، مما يجعلها تتنافر.

لإطلاق هذه الطاقة ، سوف تندفع أيونات الهيدروجين عبر أي فتحة ، على غرار تدفق الماء من خلال ثقب في السد. في الثايلاكويد ، هذا الفتح عبارة عن ممر عبر قناة بروتينية متخصصة تسمى سينسيز ATP. تسمح الطاقة المنبعثة من تيار أيون الهيدروجين لـ ATP synthase بربط مجموعة فوسفات ثالثة بـ ADP ، والتي تشكل جزيء ATP ((الشكل)). يسمى تدفق أيونات الهيدروجين عبر سينسيز ATP بالتناضح الكيميائي لأن الأيونات تتحرك من منطقة عالية إلى منطقة ذات تركيز منخفض من خلال بنية شبه نفاذة من الثايلاكويد.

قم بزيارة هذا الموقع وانقر فوق الرسوم المتحركة لعرض عملية التمثيل الضوئي داخل ورقة.

ملخص القسم

تمتص أصباغ الجزء الأول من عملية التمثيل الضوئي ، التفاعلات المعتمدة على الضوء ، الطاقة من ضوء الشمس. يضرب الفوتون أصباغ الهوائي للنظام الضوئي II لبدء عملية التمثيل الضوئي. تنتقل الطاقة إلى مركز التفاعل الذي يحتوي على الكلوروفيل أ ثم إلى سلسلة نقل الإلكترون ، التي تضخ أيونات الهيدروجين إلى داخل الثايلاكويد. يؤدي هذا الإجراء إلى تكوين تركيز عالٍ من أيونات الهيدروجين. تتدفق أيونات الهيدروجين عبر تخليق ATP أثناء التشوه الكيميائي لتشكيل جزيئات ATP ، والتي تستخدم لتكوين جزيئات السكر في المرحلة الثانية من التمثيل الضوئي. يمتص النظام الضوئي I فوتونًا ثانيًا ، مما يؤدي إلى تكوين جزيء NADPH ، وطاقة أخرى وتقليل الناقل للتفاعلات المستقلة عن الضوء.

أسئلة الاتصال المرئي

(الشكل) ما هو مصدر الإلكترونات لسلسلة نقل الإلكترون البلاستيدات الخضراء؟


7.10: التفاعلات المعتمدة على الضوء لعملية التمثيل الضوئي - علم الأحياء

أي عبارة عن التخليق الحيوي للكربوهيدرات أثناء التفاعلات المظلمة لعملية التمثيل الضوئي (أي تفاعلات دورة كالفين) ليست صحيحة؟

أ. RUBISCO هو إنزيم ضروري لتثبيت ثاني أكسيد الكربون.
ب. NADPH هو مصدر الإلكترونات لتخليق الجلوكوز الحيوي.
ج. ATP هو مصدر الطاقة لتخليق الجلوكوز الحيوي.
د. تحدث التفاعلات في أغشية التمثيل الضوئي للبلاستيدات الخضراء.
E. الأكسجين غير مطلوب.

التخليق الحيوي للكربوهيدرات

ملامح معادلة التفاعلات المظلمة

  • RUBISCO هو إنزيم تثبيت ثاني أكسيد الكربون لتخليق الكربوهيدرات.
  • يتم إصلاح 6 CO 2 بواسطة RUBISCO لكل الجلوكوز المركب.
  • الأكسجين غير مطلوب لتخليق الكربوهيدرات.
  • ما تبقى من ردود الفعل المستخدمة لتخليق الجلوكوز وتجديد RuBP.
  • يستخدم NADPH لتقليل 3-phosphoglycerate إلى سكر 3-carbon. 2 NADPH مطلوبة.
  • مطلوب 3 ATP لكل RuBP يتم تجديده.

مسار التخليق الحيوي للكربوهيدرات

يتم تحفيز التفاعلات بواسطة الإنزيمات القابلة للذوبان في سدى البلاستيدات الخضراء.


امتصاص الضوء

تدخل الطاقة الضوئية في عملية التمثيل الضوئي عندما تمتص الأصباغ الضوء. في النباتات ، تمتص جزيئات الصباغ الضوء المرئي فقط من أجل التمثيل الضوئي. الضوء المرئي الذي يراه البشر على أنه ضوء أبيض موجود في الواقع في قوس قزح من الألوان. تقوم أجسام معينة ، مثل المنشور أو قطرة ماء ، بتشتيت الضوء الأبيض لتكشف عن هذه الألوان للعين البشرية. تنظر العين البشرية إلى جزء الضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي على أنه قوس قزح من الألوان ، مع البنفسجي والأزرق أطوال موجية أقصر ، وبالتالي طاقة أعلى. في الطرف الآخر من الطيف باتجاه اللون الأحمر ، تكون الأطوال الموجية أطول ولديها طاقة أقل.


لقطات


توليد ناقل طاقة آخر: NADPH

الوظيفة المتبقية للتفاعل المعتمد على الضوء هي توليد جزيء حامل الطاقة الآخر ، NADPH. عندما يصل الإلكترون من سلسلة نقل الإلكترون إلى النظام الضوئي الأول ، يتم إعادة تنشيطه بفوتون آخر تم التقاطه بواسطة الكلوروفيل. تقود الطاقة من هذا الإلكترون تكوين NADPH من NADP + وأيون الهيدروجين (H +). الآن بعد أن تم تخزين الطاقة الشمسية في ناقلات الطاقة ، يمكن استخدامها لصنع جزيء السكر.


التفاعلات المعتمدة على الضوء لعملية التمثيل الضوئي

كيف يمكن استخدام الضوء لصنع الطعام؟ عندما يقوم شخص ما بتشغيل المصباح ، تصبح الطاقة الكهربائية طاقة ضوئية. مثل جميع أشكال الطاقة الحركية الأخرى ، يمكن للضوء أن ينتقل ويغير شكله ويتم تسخيره للقيام بالعمل. في حالة التمثيل الضوئي ، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية ، والتي تستخدمها الضوئية لبناء جزيئات الكربوهيدرات ([رابط]). ومع ذلك ، فإن autotrophs تستخدم فقط بعض المكونات المحددة لأشعة الشمس.

ما هي الطاقة الضوئية؟

تبعث الشمس كمية هائلة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (الطاقة الشمسية). يمكن للإنسان أن يرى فقط جزءًا بسيطًا من هذه الطاقة ، والذي يُشار إليه بالتالي باسم "الضوء المرئي". توصف الطريقة التي تنتقل بها الطاقة الشمسية بأنها موجات. يمكن للعلماء تحديد كمية الطاقة للموجة عن طريق قياسها الطول الموجي، المسافة بين نقطتين متتاليتين للموجة. يتم قياس الموجة الواحدة من نقطتين متتاليتين ، مثل من القمة إلى القمة أو من القاع إلى القاع ([الرابط]).

يشكل الضوء المرئي نوعًا واحدًا فقط من العديد من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس والنجوم الأخرى. يميز العلماء الأنواع المختلفة للطاقة المشعة عن الشمس ضمن الطيف الكهرومغناطيسي. ال المجال الكهرومغناطيسي هو مدى كل ترددات الإشعاع الممكنة ([رابط]). الفرق بين الأطوال الموجية يتعلق بكمية الطاقة التي تحملها.

ينتقل كل نوع من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي عند طول موجي معين. كلما كان الطول الموجي أطول (أو كلما ظهر في الرسم البياني أكثر تمددًا) ، قلت الطاقة المنقولة. تحمل الموجات القصيرة والضيقة أكبر قدر من الطاقة. قد يبدو هذا غير منطقي ، لكن فكر في الأمر من منظور قطعة من تحريك حبل ثقيل. لا يتطلب الأمر سوى القليل من الجهد من قبل الشخص لتحريك الحبل في موجات طويلة وواسعة. لجعل الحبل يتحرك في موجات ضيقة قصيرة ، سيحتاج الشخص إلى بذل المزيد من الطاقة بشكل ملحوظ.

يُظهر الطيف الكهرومغناطيسي ([رابط]) عدة أنواع من الإشعاع الكهرومغناطيسي الناشئ من الشمس ، بما في ذلك الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية. يمكن لموجات الطاقة العالية أن تخترق الأنسجة وتتلف الخلايا والحمض النووي ، مما يفسر سبب كون كل من الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية ضارة بالكائنات الحية.

امتصاص الضوء

تبدأ الطاقة الضوئية في عملية التمثيل الضوئي عندما تمتص الأصباغ الضوء. تحتوي الأصباغ العضوية ، سواء في شبكية العين أو ثيلاكويد البلاستيدات الخضراء ، على نطاق ضيق من مستويات الطاقة التي يمكنها امتصاصها. مستويات الطاقة الأقل من تلك التي يمثلها الضوء الأحمر غير كافية لرفع الإلكترون المداري إلى حالة قابلة للسكن ومثارة (كمومية). ستؤدي مستويات الطاقة الأعلى من تلك الموجودة في الضوء الأزرق إلى تمزيق الجزيئات جسديًا ، وهو ما يسمى التبييض. لذلك يمكن لأصباغ الشبكية "رؤية" (امتصاص) 700 نانومتر إلى 400 نانومتر من الضوء ، وهو ما يسمى بالتالي الضوء المرئي. للأسباب نفسها ، تمتص جزيئات صبغة النباتات الضوء فقط في نطاق الطول الموجي من 700 نانومتر إلى 400 نانومتر. يشير علماء فسيولوجيا النبات إلى هذا النطاق للنباتات على أنه إشعاع نشط ضوئيًا.

الضوء المرئي الذي يراه البشر على أنه ضوء أبيض موجود في الواقع في قوس قزح من الألوان. تقوم أشياء معينة ، مثل المنشور أو قطرة ماء ، بتشتيت الضوء الأبيض للكشف عن الألوان للعين البشرية. يُظهر جزء الضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي قوس قزح من الألوان ، مع البنفسجي والأزرق بأطوال موجية أقصر ، وبالتالي طاقة أعلى. في الطرف الآخر من الطيف باتجاه اللون الأحمر ، تكون الأطوال الموجية أطول ولديها طاقة أقل ([رابط]).

فهم الصبغات

توجد أنواع مختلفة من الأصباغ ، وقد تطور كل منها لامتصاص أطوال موجية معينة (ألوان) من الضوء المرئي. تعكس الأصباغ أو تنقل الأطوال الموجية التي لا تستطيع امتصاصها ، مما يجعلها تظهر باللون المقابل.

الكلوروفيل والكاروتينات هما الفئتان الرئيسيتان من أصباغ التمثيل الضوئي الموجودة في النباتات والطحالب ولكل فئة أنواع متعددة من جزيئات الصباغ. هناك خمسة أنواع رئيسية من الكلوروفيل: أ, ب, ج و د وجزيء ذو صلة موجود في بدائيات النوى يسمى بكتيريوكلوروفيل. الكلوروفيل أ و الكلوروفيل ب توجد في البلاستيدات الخضراء النباتية الأعلى وستكون محور المناقشة التالية.

مع العشرات من الأشكال المختلفة ، فإن الكاروتينات هي مجموعة أكبر بكثير من الأصباغ. تُستخدم الكاروتينات الموجودة في الفاكهة - مثل أحمر الطماطم (اللايكوبين) ، أو أصفر بذور الذرة (زياكسانثين) ، أو برتقالة قشر البرتقال (كاروتين - كاروتين) - كإعلانات لجذب مشتتات البذور. في عملية التمثيل الضوئي ، الكاروتينات تعمل كأصباغ ضوئية وهي جزيئات فعالة للغاية للتخلص من الطاقة الزائدة. عندما تتعرض الورقة لأشعة الشمس الكاملة ، فإن التفاعلات المعتمدة على الضوء مطلوبة لمعالجة كمية هائلة من الطاقة إذا لم يتم التعامل مع هذه الطاقة بشكل صحيح ، فيمكن أن تحدث أضرارًا كبيرة. لذلك ، توجد العديد من الكاروتينات في غشاء الثايلاكويد ، وتمتص الطاقة الزائدة ، وتبدد هذه الطاقة بأمان كحرارة.

يمكن التعرف على كل نوع من الصباغ من خلال النمط المحدد للأطوال الموجية التي يمتصها من الضوء المرئي ، وهو طيف الامتصاص. يوضح الرسم البياني الموجود في [رابط] أطياف امتصاص الكلوروفيل أالكلوروفيل ب، ونوع من أصباغ الكاروتين يسمى بيتا كاروتين (الذي يمتص الضوء الأزرق والأخضر). لاحظ كيف أن لكل صبغة مجموعة مميزة من القمم والقيعان ، مما يكشف عن نمط امتصاص محدد للغاية. الكلوروفيل أ يمتص الأطوال الموجية من أي من طرفي الطيف المرئي (الأزرق والأحمر) ، ولكن ليس الأخضر. لأن اللون الأخضر ينعكس أو ينتقل ، يظهر الكلوروفيل باللون الأخضر. تمتص الكاروتينات في المنطقة الزرقاء ذات الطول الموجي القصير ، وتعكس الأطوال الموجية الأطول من الأصفر والأحمر والبرتقالي.

تمتلك العديد من الكائنات الحية الضوئية مزيجًا من الأصباغ باستخدامها ، ويمكن للكائن الحي امتصاص الطاقة من نطاق أوسع من الأطوال الموجية. لا تتمتع جميع الكائنات الحية الضوئية بوصول كامل إلى ضوء الشمس. تنمو بعض الكائنات الحية تحت الماء حيث تنخفض شدة الضوء وجودته وتتغير مع العمق. تنمو الكائنات الحية الأخرى في المنافسة على الضوء. يجب أن تكون النباتات في الغابة المطيرة قادرة على امتصاص أي جزء من الضوء الذي يأتي من خلاله ، لأن الأشجار الأطول تمتص معظم ضوء الشمس وتبعثر الإشعاع الشمسي المتبقي ([الرابط]).

عند دراسة كائن التمثيل الضوئي ، يمكن للعلماء تحديد أنواع الأصباغ الموجودة عن طريق توليد أطياف الامتصاص. أداة تسمى أ مقياس الطيف الضوئي يمكن أن يفرق بين الأطوال الموجية للضوء التي يمكن للمادة أن تمتصها. تقيس أجهزة قياس الطيف الضوئي الضوء المرسل وتحسب الامتصاص منه. عن طريق استخراج أصباغ من الأوراق ووضع هذه العينات في مقياس الطيف الضوئي ، يمكن للعلماء تحديد الأطوال الموجية للضوء التي يمكن للكائن الحي امتصاصها. تتضمن الطرق الإضافية لتحديد أصباغ النبات أنواعًا مختلفة من الكروماتوغرافيا التي تفصل الأصباغ حسب صلاتها النسبية مع الأطوار الصلبة والمتحركة.

كيف تعمل التفاعلات المعتمدة على الضوء

تتمثل الوظيفة العامة للتفاعلات المعتمدة على الضوء في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية على شكل NADPH و ATP. تدعم هذه الطاقة الكيميائية التفاعلات المستقلة للضوء وتغذي تجميع جزيئات السكر. التفاعلات المعتمدة على الضوء موضحة في [رابط]. تعمل مجمعات البروتين وجزيئات الصبغة معًا لإنتاج NADPH و ATP.

تحدث الخطوة الفعلية التي تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية في مركب متعدد البروتينات يسمى أ نظام ضوئي، نوعان منها موجودان في غشاء الثايلاكويد ، نظام ضوئي II (PSII) و نظام الصور الأول (PSI) ([رابط]). يختلف المركبان على أساس ما يؤكسدانه (أي مصدر إمداد الإلكترون منخفض الطاقة) وما يختزلانه (المكان الذي يوصلون إليه إلكتروناتهم المنشطة).

كلا نظامي الصور لهما نفس البنية الأساسية لعدد من بروتينات الهوائي التي ترتبط بها جزيئات الكلوروفيل تحيط بها مركز رد الفعل حيث تجري الكيمياء الضوئية. يتم صيانة كل نظام ضوئي بواسطة مجمع حصاد الضوء، الذي ينقل الطاقة من ضوء الشمس إلى مركز التفاعل ، ويتكون من بروتينات هوائي متعددة تحتوي على خليط من 300-400 كلوروفيل أ و ب الجزيئات بالإضافة إلى أصباغ أخرى مثل الكاروتينات. امتصاص واحد الفوتون أو كمية مميزة أو "حزمة" من الضوء بواسطة أي من الكلوروفيل تدفع ذلك الجزيء إلى حالة مثارة. باختصار ، تم التقاط الطاقة الضوئية الآن بواسطة الجزيئات البيولوجية ولكن لم يتم تخزينها بأي شكل مفيد حتى الآن. يتم نقل الطاقة من الكلوروفيل إلى الكلوروفيل حتى يتم تسليمها في النهاية (بعد حوالي جزء من المليون من الثانية) إلى مركز التفاعل. حتى هذه النقطة ، تم نقل الطاقة فقط بين الجزيئات ، وليس بين الإلكترونات.

ما هو المصدر الأولي للإلكترونات لسلسلة نقل الإلكترون البلاستيدات الخضراء؟

يحتوي مركز التفاعل على زوج من الكلوروفيل أ جزيئات ذات خاصية خاصة. يمكن أن يخضع هذان النوعان من الكلوروفيل للأكسدة عند الإثارة ، ويمكنهما في الواقع التخلي عن إلكترون في عملية تسمى الصورة. في هذه الخطوة في مركز التفاعل ، هذه الخطوة في البناء الضوئي ، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى إلكترون متحمس. تتضمن جميع الخطوات اللاحقة الحصول على هذا الإلكترون على حامل الطاقة NADPH لتسليمه إلى دورة كالفين حيث يتم ترسيب الإلكترون على الكربون للتخزين طويل الأجل في شكل كربوهيدرات. PSII و PSI مكونان رئيسيان من التمثيل الضوئي سلسلة نقل الإلكترون، والذي يتضمن أيضًا مجمع السيتوكروم. ينقل مركب السيتوكروم ، وهو إنزيم يتكون من مركبين بروتينيين ، الإلكترونات من الجزيء الناقل بلاستوكينون (Pq) إلى بروتين بلاستوسيانين (Pc) ، مما يتيح نقل البروتونات عبر غشاء الثايلاكويد ونقل الإلكترونات من PSII إلى PSI.

مركز تفاعل PSII (يسمى P680) يسلم إلكتروناته عالية الطاقة ، واحدًا تلو الآخر ، إلى متقبل الإلكترون الأساسي، ومن خلال سلسلة نقل الإلكترون (Pq إلى مجمع السيتوكروم إلى البلاستوسيانين) إلى PSI. يتم استبدال الإلكترون المفقود لـ P680 عن طريق استخراج إلكترون منخفض الطاقة من الماء وبالتالي ، يتم تقسيم الماء وإعادة تقليل PSII بعد كل تأثير ضوئي. تقسيم واحد H.2يطلق جزيء O إلكترونين ، وذرتين من الهيدروجين ، وذرة واحدة من الأكسجين. مطلوب تقسيم جزيئين لتشكيل جزيء واحد من ثنائي الذرة O2 غاز. يتم استخدام حوالي 10 في المائة من الأكسجين بواسطة الميتوكوندريا في الورقة لدعم الفسفرة المؤكسدة. يهرب الباقي إلى الغلاف الجوي حيث تستخدمه الكائنات الهوائية لدعم التنفس.

عندما تتحرك الإلكترونات عبر البروتينات الموجودة بين PSII و PSI ، فإنها تفقد الطاقة. تُستخدم هذه الطاقة لنقل ذرات الهيدروجين من الجانب اللحمي للغشاء إلى تجويف الثايلاكويد. تتراكم ذرات الهيدروجين هذه ، بالإضافة إلى الذرات الناتجة عن تقسيم الماء ، في تجويف الثايلاكويد وسيتم استخدامها في تصنيع ATP في خطوة لاحقة. نظرًا لأن الإلكترونات فقدت الطاقة قبل وصولها إلى PSI ، فيجب إعادة تنشيطها بواسطة PSI ، وبالتالي ، يتم امتصاص فوتون آخر بواسطة هوائي PSI. يتم نقل هذه الطاقة إلى مركز تفاعل PSI (يسمى P700). يتأكسد P700 ويرسل إلكترونًا عالي الطاقة إلى NADP + لتشكيل NADPH. وهكذا ، يلتقط PSII الطاقة لإنشاء تدرجات بروتون لصنع ATP ، ويلتقط PSI الطاقة لتقليل NADP + إلى NADPH. يعمل النظامان الضوئيان في تناغم جزئي ، لضمان أن إنتاج NADPH سيعادل تقريبًا إنتاج ATP. توجد آليات أخرى لضبط هذه النسبة لتتناسب تمامًا مع احتياجات الطاقة المتغيرة باستمرار للبلاستيدات الخضراء.

توليد ناقل للطاقة: ATP

كما هو الحال في الفضاء بين الغشاء للميتوكوندريا أثناء التنفس الخلوي ، فإن تراكم أيونات الهيدروجين داخل تجويف الثايلاكويد يخلق تدرج تركيز. يتم تسخير الانتشار السلبي لأيونات الهيدروجين من التركيز العالي (في تجويف الثايلاكويد) إلى التركيز المنخفض (في السدى) لإنشاء ATP ، تمامًا كما هو الحال في سلسلة نقل الإلكترون للتنفس الخلوي. تقوم الأيونات بتكوين الطاقة بسبب الانتشار ولأن كل منها لها نفس الشحنة الكهربائية ، مما يجعلها تتنافر.

لإطلاق هذه الطاقة ، سوف تندفع أيونات الهيدروجين عبر أي فتحة ، على غرار تدفق الماء من خلال ثقب في السد. في الثايلاكويد ، هذا الفتح عبارة عن ممر عبر قناة بروتينية متخصصة تسمى سينسيز ATP. The energy released by the hydrogen ion stream allows ATP synthase to attach a third phosphate group to ADP, which forms a molecule of ATP ([link]). The flow of hydrogen ions through ATP synthase is called chemiosmosis because the ions move from an area of high to an area of low concentration through a semi-permeable structure.

Watch this video to view the process of photosynthesis within a leaf.

ملخص القسم

The pigments of the first part of photosynthesis, the light-dependent reactions, absorb energy from sunlight. A photon strikes the antenna pigments of photosystem II to initiate photosynthesis. The energy travels to the reaction center that contains chlorophyll أ to the electron transport chain, which pumps hydrogen ions into the thylakoid interior. This action builds up a high concentration of ions. The ions flow through ATP synthase via chemiosmosis to form molecules of ATP, which are used for the formation of sugar molecules in the second stage of photosynthesis. Photosystem I absorbs a second photon, which results in the formation of an NADPH molecule, another energy and reducing power carrier for the light-independent reactions.

اتصالات فنية

[link] What is the source of electrons for the chloroplast electron transport chain?


The Process of Photosynthesis: Light Dependent and Independent Reactions

Photosynthesis is the most essential biological process for human and animal life. It is the process by which carbon dioxide and water are converted by plants and sunlight into the oxygen we breathe and the organic molecules (like glucose) that we consume. The process of photosynthesis is made up of light dependent reactions (the photo’ part) and sugar making or light independent reactions (the synthesis part).

Light dependent reactions

Here is an explanation in technical terms: To begin with water is taken up by the roots and circulated by veins to the leaves. Sunlight then enters the leaf and penetrates the mesophyll cells of the leaf. Within these cells are organelles known as chloroplasts made up of thylakoid membranes that are stacked and surrounded by fluid known as stoma. The light hits the thylakoid membranes and excites electrons that are within the reaction centres within these. The electrons then create ATP and NADPH to be used by the Calvin cycle. Light of red and blue wavelengths is the most effective for photosynthesis whereas green light is reflected hence the green appearance of plants. Also of important notice is that water accepts these electrons to become oxygen and some H+ ions.

In simple terms: Light enters the leaves of the plant and is used as the energy to produce products to be used by the light independent reactions.

Light independent reactions (the Calvin cycle)

In scientific terms: In land plants the carbon dioxide is absorbed by pores (called stomata) in the leaves of the plant. The carbon dioxide is then consumed by the Calvin cycle and combined with H+ ions to create glucose via a complicated chain of reactions that use the ATP and NADPH. The result of this process is that energy has been used to make glucose energy that will later be utilized when glucose is broken down by humans or animals.

In short: carbon dioxide enters the plant and along with the products produced by the light dependent reactions it is made into the sugar glucose.

Interesting facts

  • – photosynthesis is in simple terms the reverse of respiration (using energy like glucose)
  • – photosynthesis is carried out by plants, plankton and many other photosynthetic organisms
  • – plant respire and thus also do the reverse of photosynthesis

This has just been a short overview of the biologically important process of photosynthesis (there is much more information available on the web and in books) but the important message are that there are two series and reactions that result in the production of oxygen and glucose from carbon dioxide and water.


What Is Light Energy?

The sun emits an enormous amount of electromagnetic radiation (solar energy in a spectrum from very short gamma rays to very long radio waves). Humans can see only a tiny fraction of this energy, which we refer to as “visible light.” The manner in which solar energy travels is described as waves. Scientists can determine the amount of energy of a wave by measuring its wavelength (shorter wavelengths are more powerful than longer wavelengths)—the distance between consecutive crest points of a wave. Therefore, a single wave is measured from two consecutive points, such as from crest to crest or from trough to trough (Figure).

The wavelength of a single wave is the distance between two consecutive points of similar position (two crests or two troughs) along the wave.

Visible light constitutes only one of many types of electromagnetic radiation emitted from the sun and other stars. Scientists differentiate the various types of radiant energy from the sun within the electromagnetic spectrum. The electromagnetic spectrum is the range of all possible frequencies of radiation (Figure). The difference between wavelengths relates to the amount of energy carried by them.

تبعث الشمس الطاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي. This radiation exists at different wavelengths, each of which has its own characteristic energy. تتميز جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية ، بما في ذلك الضوء المرئي ، بطول موجتها.

Each type of electromagnetic radiation travels at a particular wavelength. كلما زاد الطول الموجي ، قلت الطاقة التي يحملها. Short, tight waves carry the most energy. This may seem illogical, but think of it in terms of a piece of moving heavy rope. It takes little effort by a person to move a rope in long, wide waves. To make a rope move in short, tight waves, a person would need to apply significantly more energy.

The electromagnetic spectrum (Figure) shows several types of electromagnetic radiation originating from the sun, including X-rays and ultraviolet (UV) rays. The higher-energy waves can penetrate tissues and damage cells and DNA, which explains why both X-rays and UV rays can be harmful to living organisms.


شاهد الفيديو: شرح التفاعلات الضوئية للصف الحادي عشر-احياء (سبتمبر 2022).