معلومة

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


8.2: التفاعلات المعتمدة على الضوء لعملية التمثيل الضوئي

إن فهم الشكل الداخلي للبلاستيدات الخضراء هو المفتاح لتصور مكان حدوث التفاعلات المختلفة لعملية التمثيل الضوئي.

يحيط بالبلاستيدات الخضراء غشاء مزدوج يتكون من غشاء خارجي وغشاء داخلي. هذا مشابه في هيكل الغشاء المزدوج للميتوكوندريا.

الجزء الداخلي من الغشاء الداخلي للبلاستيدات الخضراء ومحيط الثايلاكويدات عبارة عن سائل يسمى السدى. تحدث تفاعلات التمثيل الضوئي المستقلة عن الضوء داخل السدى. يحتوي على إنزيمات تعمل مع ATP و NADPH "لإصلاح" الكربون من ثاني أكسيد الكربون في جزيئات يمكن استخدامها لبناء الجلوكوز. يتم أيضًا تخزين المادة الوراثية الخاصة بالبلاستيدات الخضراء (منفصلة عن تلك الموجودة في الخلية) في السدى.

يحتوي الجزء الداخلي من البلاستيدات الخضراء على غشاء آخر - غشاء الثايلاكويد - والذي يتم ثنيه ليشكل حزمًا عديدة متصلة من الأقراص. كل قرص هو ثايلاكويد وكل كومة عبارة عن جرانوم (بل. جرانا).

تحدث تفاعلات التمثيل الضوئي المعتمدة على الضوء داخل الثايلاكويدات. تحدث هذه التفاعلات عندما تلتقط صبغة الكلوروفيل ، الموجودة داخل أغشية الثايلاكويد ، الطاقة من الشمس (الفوتونات) لبدء تكسير جزيئات الماء.


ما هي الطاقة الضوئية؟

الشكل 2. الطول الموجي لموجة واحدة هو المسافة بين نقطتين متتاليتين على طول الموجة.

تبعث الشمس كمية هائلة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (الطاقة الشمسية). يمكن للإنسان أن يرى فقط جزءًا بسيطًا من هذه الطاقة ، والتي يشار إليها باسم "الضوء المرئي". يمكن وصف الطريقة التي تنتقل بها الطاقة الشمسية وقياسها على أنها موجات. يمكن للعلماء تحديد مقدار طاقة الموجة عن طريق قياس طول الموجة ، والمسافة بين نقطتين متتاليتين متشابهتين في سلسلة من الموجات ، مثل من القمة إلى القمة أو من القاع إلى القاع (الشكل 2).

يشكل الضوء المرئي نوعًا واحدًا فقط من أنواع عديدة من الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس. الطيف الكهرومغناطيسي هو نطاق جميع الأطوال الموجية الممكنة للإشعاع (الشكل 3). يتوافق كل طول موجي مع كمية مختلفة من الطاقة المحمولة.

الشكل 3. تبعث الشمس الطاقة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي. يوجد هذا الإشعاع بأطوال موجية مختلفة ، لكل منها طاقتها المميزة. الضوء المرئي هو أحد أنواع الطاقة المنبعثة من الشمس.

لكل نوع من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي مجموعة مميزة من الأطوال الموجية. كلما كان الطول الموجي أطول (أو ظهر أكثر تمددًا) ، يتم نقل طاقة أقل. تحمل الموجات القصيرة والضيقة أكبر قدر من الطاقة. قد يبدو هذا غير منطقي ، لكن فكر في الأمر من منظور قطعة من الحبل المتحرك. 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.

تبعث الشمس (الشكل 3) نطاقًا واسعًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، بما في ذلك الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية. تعتبر موجات الطاقة العالية خطرة على الكائنات الحية على سبيل المثال ، يمكن أن تكون الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية ضارة بالبشر.


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 أجسام 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).

لا تحمل ألوان الضوء المرئي نفس القدر من الطاقة. يمتلك البنفسجي أقصر طول موجي ، وبالتالي فهو يحمل أكبر قدر من الطاقة ، في حين أن اللون الأحمر له أطول طول موجي ويحمل أقل قدر من الطاقة. (الائتمان: تعديل العمل من قبل وكالة ناسا)


فهم الصبغات

توجد أنواع مختلفة من الأصباغ ، وكل منها يمتص فقط أطوال موجية معينة (ألوان) من الضوء المرئي. تعكس الأصباغ لون الأطوال الموجية التي لا تستطيع امتصاصها.

تحتوي جميع الكائنات الحية الضوئية على صبغة تسمى الكلوروفيل أ، والذي يراه البشر على أنه اللون الأخضر المشترك المرتبط بالنباتات. الكلوروفيل أ تمتص الأطوال الموجية من أي من طرفي الطيف المرئي (الأزرق والأحمر) ، ولكن ليس من اللون الأخضر. لأن اللون الأخضر ينعكس ، يظهر الكلوروفيل باللون الأخضر.

تشمل أنواع الأصباغ الأخرى الكلوروفيل ب (التي تمتص الضوء الأزرق والأحمر البرتقالي) والكاروتينات. يمكن التعرف على كل نوع من الصباغ من خلال النمط المحدد للأطوال الموجية التي يمتصها من الضوء المرئي ، وهو طيف الامتصاص الخاص به.

تحتوي العديد من كائنات التمثيل الضوئي على مزيج من الأصباغ فيما بينها ، ويمكن للكائن الحي أن يمتص الطاقة من نطاق أوسع من أطوال موجات الضوء المرئي. لا تتمتع جميع الكائنات الحية الضوئية بوصول كامل إلى ضوء الشمس. تنمو بعض الكائنات الحية تحت الماء حيث تقل شدة الضوء مع العمق ، وتمتص المياه أطوال موجية معينة. تنمو الكائنات الحية الأخرى في المنافسة على الضوء. يجب أن تكون النباتات الموجودة في أرض الغابة المطيرة قادرة على امتصاص أي جزء من الضوء الذي يأتي من خلالها ، لأن الأشجار الأطول تحجب معظم ضوء الشمس (الشكل 5.11).

الشكل 5.11 تستفيد النباتات التي تنمو عادة في الظل من وجود مجموعة متنوعة من الأصباغ الممتصة للضوء. يمكن لكل صبغة أن تمتص أطوال موجية مختلفة من الضوء ، مما يسمح للنبات بامتصاص أي ضوء يمر عبر الأشجار الطويلة. (الائتمان: جيسون هولينجر)


المولدات الضوئية للقوى المحركة

(أ) المرحلة 1: أزمرة trans-cis للكروموفور

عندما يكون bR568 يمتص الفوتون ، فإنه يشكل حالة مثارة عابرة K حيث يخضع حامل اللون المتحمس لأزمرة من الكلعبر إلى 13رابطة الدول المستقلة (الشكل 6.13 والجدول 6.1). هذا هو التفاعل الوحيد المعتمد على الضوء ، والمراحل الأخرى من الدورة هي "تفاعلات مظلمة" تحدث تلقائيًا ، ولكن في بعض الحالات على حساب الطاقة المخزنة في حامل اللون ، لاستعادة التشكل الأولي.

الجدول 6.1. دورة كيميائية ضوئية تخطيطية للجرثومة البكتيرية

هيكلصكمجموعات البروتينات القابلة للبروتونات وحركة H +
ولايةشبكية العينبروتينالسيتوبلازمAsp-96شيفAsp-85واسطة
1. ب568عبر"T"الرقم الهيدروجيني = 7 [H # 3 +]صك = 10 [H # 2 +] صك = 3الرقم الهيدروجيني = 7
2. ك610رابطة الدول المستقلة"T"الرقم الهيدروجيني = 7 [H # 3 +]صك = 10 [H # 2 +] صك = 10 [H # 1 +]صك = 3الرقم الهيدروجيني = 7
3. لام550رابطة الدول المستقلة"T"الرقم الهيدروجيني = 7 [H # 3 +]صك= 10 [H # 2 +] صK & أمبير 6 [H # 1 +]صك = 3الرقم الهيدروجيني = 7
4. م412 مبكرا رابطة الدول المستقلة"T"الرقم الهيدروجيني = 7 [H # 3 +]صك= 10 [H # 2 +] صK & أمبير 6 →صك = 3 [H # 1 +]الرقم الهيدروجيني = 7
5. م412 متأخر رابطة الدول المستقلة"ج"الرقم الهيدروجيني = 7 [H # 3 +]صك= 10 [H # 2 +]صك = 10 صك = 3 [H # 1 +]الرقم الهيدروجيني = 7
6. ن560رابطة الدول المستقلة"ج"الرقم الهيدروجيني = 7 [H # 3 +]صك = 10صك = 10 [H # 2 +] صك = 3 →الرقم الهيدروجيني = 7 [H # 1 +]
7. O640عبر"T"الرقم الهيدروجيني = 7 →صك= 10 [H # 3 +] صك = 10 [H # 2 +]صك = 3الرقم الهيدروجيني = 7 [H # 1 +]
8. ب568عبر"T"الرقم الهيدروجيني = 7صك= 10 [H # 3 +] صك = 10 [H # 2 +]صك = 3الرقم الهيدروجيني = 7 [H # 1 +]

يتم عرض قاعدة شيف وبقايا Asp المتورطة في ضخ البروتون. تظهر حركة ثلاثة بروتونات من السيتوبلازم عند درجة الحموضة 7 إلى الوسط الخارجي أيضًا عند الرقم الهيدروجيني 7. (→) حركات البروتون ▪ كتلة توافقية. تذكر أن المجموعة ستتكون بروتونات إذا كانت pكأ أعلى من درجة الحموضة المحيطة. وبالتالي فإن ارتفاع صكأ من Asp-96 ضروريًا إذا كان لربط البروتونات من السيتوبلازم عند الرقم الهيدروجيني 7. لاحظ أن التغيير الوحيد في pكأ هي قاعدة شيف نفسها. المخطط عبارة عن تبسيط مفرط وقد تشارك سلاسل جانبية أخرى للأحماض الأمينية في أحداث البروتونات / نزع البروتونات - انظر ، على سبيل المثال ، Mathies وآخرون. (1991). من المحتمل أن يكون هناك ماء في القنوات التي تربط قاعدة شيف بالمرحلتين المائيتين. صكأ يتم عرض قيم كربوكسيلات Asp على أنها ثابتة على الرغم من أنها يمكن أن تتغير أثناء الدورة. الحالة "T" هي توافق البروتين المتوازن مع الكل-عبر chromophore الحالة "C" هي التشكل المتوازن مع 13-رابطة الدول المستقلة كروموفور. تتشكل مقدمة لـ K ، تسمى J ، في 500 fs وترتاح إلى K على مقياس زمني 3 ps. هيكل الكروموفور في J غير واضح. المقياس الزمني التقريبي للتحولات الأخرى هو K → L 2 μs ، L → M 60 μs ، M → N 2 مللي ثانية ، N / O 2 مللي ثانية ، O → bR 0.5 مللي ثانية.

يتشكل L الوسيط الآن (الجدول 6.1) حيث يكون لقاعدة شيف تقارب منخفض جدًا للبروتونات ، أي أنها تمتلك p أقل.كأ. تم اقتراح أن هذا يحدث لأن قاعدة شيف قد تم نقلها إلى بيئة أكثر كارهة للماء.


برنت كورنيل

  • تمتص الأصباغ الضوء كمصدر للطاقة لعملية التمثيل الضوئي
  • يشير طيف الامتصاص إلى الأطوال الموجية (التردد) للضوء الممتص بواسطة كل صبغة
  • يشير طيف الحركة إلى معدل التمثيل الضوئي لكل طول موجة / تردد
  • هناك علاقة قوية بين طيف الامتصاص التراكمي لجميع أصباغ التمثيل الضوئي وطيف الحركة
  • كلاهما يعرض قمتين رئيسيتين - قمة أكبر في

450 نانومتر (أزرق) وقمة أصغر عند

طيف الامتصاص مقابل طيف العمل

الكلوروفيل وأنظمة الصور

8.2.8 شرح مفهوم العوامل المحددة في التمثيل الضوئي ، مع الإشارة إلى شدة الضوء ودرجة الحرارة وتركيز ثاني أكسيد الكربون


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

في هذا الفصل

ملخص: يناقش هذا الفصل الأساسيات الكامنة وراء عملية تكوين الطاقة المعروفة بالبناء الضوئي. كما أنه يعلمك كيف تولد النباتات طاقتها من الضوء. سوف تتعلم التفريق بين المرحلتين و [مدش] تعتمد على الضوء وردود الفعل المستقلة على الضوء.

تفاعل البناء الضوئي الكلي: H2 O + CO2 + الضوء و rarr O2 + جلوكوز + H2 س.

التفاعلات المعتمدة على الضوء: المدخلات هي الماء والمنتجات الخفيفة هي ATP و NADPH و O2.

يأتي الأكسجين المنتج في عملية التمثيل الضوئي من الماء.

يأتي الكربون الموجود في الجلوكوز الناتج في عملية التمثيل الضوئي من ثاني أكسيد الكربون2.

التفاعلات المستقلة عن الضوء (التفاعلات المظلمة): المدخلات هي NADPH و ATP و CO2 المنتجات هي ADP و NADP + والسكر.

مقدمة

في الفصل 7 ، ناقشنا كيف تولد الخلايا البشرية والحيوانية الطاقة اللازمة للبقاء على قيد الحياة والأداء على أساس يومي. الآن سننظر في كيفية توليد النباتات لطاقتها من الضوء وعملية البناء الضوئي. نؤكد مرة أخرى في هذا الفصل ما قلناه عن التنفس و [مدشدو] لا ننشغل بحفظ كل حقيقة. تأكد من أنك تفهم المفاهيم الأساسية والشاملة والأفكار الرئيسية. تذكر أن معظم عمليات التمثيل الضوئي للنبات تحدث في أوراق النبات. توجد غالبية البلاستيدات الخضراء للنبات في خلايا الميزوفيل. تذكر أن هناك مرحلتين لعملية التمثيل الضوئي: التفاعلات المعتمدة على الضوء والتفاعلات المستقلة عن الضوء ، والتي تسمى عادةً "التفاعلات المظلمة". المعادلة المبسطة لعملية التمثيل الضوئي هي

اللاعبون في التمثيل الضوئي

العضية المضيفة لعملية التمثيل الضوئي هي البلاستيدات الخضراء والذي ينقسم إلى قسم داخلي وآخر خارجي. يسمى الجزء السائل الداخلي سدى وهو محاط بغشاءين خارجيين. في الشكل 8.1 ، يمكنك أن ترى أن المتعرج من خلال السدى هو غشاء داخلي يسمى نظام غشاء الثايلاكويد. هذا هو المكان الذي تحدث فيه المرحلة الأولى من عملية التمثيل الضوئي. يتكون هذا الغشاء من قنوات مسطحة وأقراص مرتبة في أكوام تسمى جرانا. نتذكر دائمًا نظام الثايلاكويد على أنه يشبه أكوام رقائق البوكر ، حيث تكون كل شريحة عبارة عن ثايلاكويد واحد. داخل رقائق البوكر هذه تحدث تفاعلات التمثيل الضوئي المعتمدة على الضوء.

الشكل 8.1 الشكل العام لعملية التمثيل الضوئي. (من علم الأحياء , الطبعة الثامنة ، بقلم سيلفيا إس مادير ، ونسخة 1985 ، 1987 ، 1990 ، 1993 ، 1996 ، 1998 ، 2001 ، 2004 بواسطة شركة McGraw Hill Companies، Inc. تم إعادة إنتاجها بإذن من شركات McGraw-Hill .)

قبل أن نفحص عملية التمثيل الضوئي ، إليك بعض التعريفات التي ستجعل الأمور أسهل قليلاً أثناء قراءة هذا الفصل.

أوتوتروف: كائن حي يغذي نفسه. يحصل على الكربون والطاقة دون ابتلاع الكائنات الحية الأخرى. تعتبر النباتات والطحالب أمثلة جيدة للكائنات ذاتية التغذية ، فهي تحصل على طاقتها من ثاني أكسيد الكربون والماء والضوء. هم منتجو العالم.

خلايا غمد الحزمة: الخلايا التي يتم لفها بإحكام حول عروق الورقة. هم موقع ل دورة كالفين في ج4 النباتات.

ج4 مصنع: مصنع قام بتكييف عملية التمثيل الضوئي الخاصة به للتعامل بشكل أكثر كفاءة مع الظروف الحارة والجافة.

غيرية التغذية: الكائنات الحية التي يجب أن تأكل كائنات أخرى للحصول على الغذاء. هم مستهلكو العالم.

ميسوفيل: الأنسجة الداخلية للورقة.

خلايا ميسوفيل: الخلايا التي تحتوي على العديد من البلاستيدات الخضراء وتستضيف غالبية عملية التمثيل الضوئي.

التحلل الضوئي: تحدث العملية التي يتم من خلالها تكسير الماء بواسطة إنزيم إلى أيونات الهيدروجين وذرات الأكسجين أثناء التفاعلات المعتمدة على الضوء لعملية التمثيل الضوئي.

الفسفرة الضوئية: العملية التي يتم من خلالها إنتاج ATP أثناء التفاعلات المعتمدة على الضوء لعملية التمثيل الضوئي. إنه مكافئ البلاستيدات الخضراء للفسفرة المؤكسدة.

التنفس الضوئي: عملية يتنافس فيها الأكسجين مع ثاني أكسيد الكربون ويلتصق بـ RuBP. النباتات التي تعاني من التنفس الضوئي لديها قدرة منخفضة على النمو.

نظام الصور: مجموعة من أصباغ احتجاز الضوء تشارك في عملية التمثيل الضوئي. تختلف أنظمة الصور بشكل كبير في تنظيمها ويمكن أن تمتلك مئات الأصباغ. أهم نظامين هما النظامان الضوئي الأول والثاني لتفاعلات الضوء.

الصباغ: جزيء يمتص ضوء طول موجي معين. تعتبر الأصباغ حيوية لعملية التمثيل الضوئي وتشمل الكلوروفيل والكاروتينات ، و فيكوبيلين.

روبيسكو: إنزيم يحفز الخطوة الأولى من دورة كالفين في C.3 النباتات.

الثغور: الهيكل الذي من خلاله CO2 يدخل النبات وبخار الماء و O2 غادر.

النتح: عملية طبيعية تفقد بها النباتات حمض الهيدروكلوريك2 عن طريق التبخر من خلال أوراقها.

الفكرة الكبيرة 4.C.1

يسمح التباين الجزيئي في جزيئات الصباغ للنباتات بامتصاص نطاق أكبر من الأطوال الموجية .

تفاعلات التمثيل الضوئي

فكرة كبيرة 2.A.1

كل الكائنات الحية تتطلب مدخلات من الطاقة .

يمكن تقسيم عملية التمثيل الضوئي بدقة إلى مجموعتين من التفاعلات: التفاعلات المعتمدة على الضوء والتفاعلات المستقلة عن الضوء. تحدث التفاعلات المعتمدة على الضوء أولاً وتتطلب مدخلاً من الماء والضوء. إنهم ينتجون ثلاثة أشياء: الأكسجين الذي نتنفسه ، NADPH ، و ATP. ثم يتم استهلاك هذين المنتجين الأخيرين من تفاعلات الضوء خلال المرحلة الثانية من عملية التمثيل الضوئي: التفاعلات المظلمة. هذه التفاعلات التي تحتاج إلى ثاني أكسيد الكربون2 ، NADPH ، و ATP كمدخلات ، ينتج السكر ويعيد تدوير NADP + و ADP لاستخدامه في المجموعة التالية من التفاعلات المعتمدة على الضوء. الآن ، سنكون لطفاء للغاية إذا تركنا المناقشة هناك. دعونا نلقي نظرة على ردود الفعل بمزيد من التفصيل. توقف عن الأنين. . . أنت تعلم أننا يجب أن نذهب إلى هناك.

فكرة كبيرة 2.A.2

يلتقط Autotrophs الطاقة المجانية الموجودة في ضوء الشمس من خلال عملية التمثيل الضوئي .

ردود الفعل المعتمدة على الضوء

تحدث تفاعلات تعتمد على الضوء في نظام غشاء الثايلاكويد. يتكون نظام الثايلاكويد من مجموعات مختلفة من أشكال رقائق البوكر المتشابهة الموجودة داخل سدى البلاستيدات الخضراء. داخل غشاء الثايلاكويد يوجد أحد المشاركين في التمثيل الضوئي الكلوروفيل. هناك نوعان رئيسيان من الكلوروفيل يجب أن تتذكرهما: الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب . الكلوروفيل أ هو الصباغ الرئيسي لعملية التمثيل الضوئي ، بينما الكلوروفيل ب يعتبر صبغة ملحقة. الصبغات متشابهة جدًا من الناحية الهيكلية ، لكن الاختلافات الطفيفة هي التي تفسر التباين في امتصاصها للضوء. يمتص الكلوروفيل ضوء طول موجي معين ، وعندما يحدث ذلك ، يرتفع أحد إلكتروناته إلى مستوى طاقة أعلى (يكون "متحمسًا"). على الفور تقريبًا ، يسقط الإلكترون المثير مرة أخرى إلى الحالة الأرضية ، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة في هذه العملية. يتم تمرير هذه الطاقة حتى تجد الكلوروفيل أ ، والذي ، عندما يكون متحمسًا ، يمرر إلكترونًا إلى متقبل الإلكترون الأولي ، فإن التفاعلات المعتمدة على الضوء جارية.

أصباغ الفضاء الثايلاكويد تنظم نفسها في مجموعات تسمى أنظمة الصور . تتكون أنظمة الصور هذه من مجموعات مختلفة من الكلوروفيل أ , ب ، وأصباغ أخرى تسمى فيكوبيلين ونوع آخر من الصباغ يسمى الكاروتينات. تساعد أصباغ الإكسسوارات في التقاط الضوء عند استخدام الكلوروفيل أ لا يمكن أن تفعل ذلك بشكل فعال. مثال على ذلك الطحالب الحمراء في قاع المحيط. عندما تلتقط الأصباغ الملحقة الضوء ، فإنه يتألق ويتغير بحيث يصبح الكلوروفيل أ يمكن استخدامه.

تخيل أن النبات ممثل في الشكل 8.2 يضربه ضوء الشمس. هذا الضوء يثير نظام ضوئي من الفضاء الثايلاكويد ، الذي يمتص الفوتون وينقل الطاقة من جزيء صبغ إلى آخر. مع مرور هذه الطاقة ، تفقد القليل من الطاقة مع كل خطوة وتصل في النهاية إلى الكلوروفيل أ ، والذي يشرع في بدء عملية التمثيل الضوئي. يبدأ الخطوة الأولى من عملية التمثيل الضوئي عن طريق تمرير الإلكترون إلى متقبل الإلكترون الأساسي.

الشكل 8.2 التفاعلات المعتمدة على الضوء. (من عند مادة الاحياء، الطبعة الثامنة ، بقلم سيلفيا إس مادير ، ونسخة 1985 ، 1987 ، 1990 ، 1993 ، 1996 ، 1998 ، 2001 ، 2004 بواسطة McGraw Hill Companies، Inc. تم إعادة إنتاجها بإذن من شركات McGraw-Hill.)

قبل أن نكمل ، هناك نوعان من أنظمة الصور الرئيسية التي نريد إخبارك بها ، وقد ترغب في الحصول على قلم أو قلم رصاص هنا لتدوين ذلك ، لأن أسماء أنظمة الصور هذه قد تبدو محيرة. هم نظام ضوئي 1 ونظام ضوئي II. الفرق الوحيد بين هذين مراكز التفاعل هو أن الكلوروفيل الرئيسي للنظام الضوئي I يمتص الضوء بطول موجي 700 نانومتر ، بينما الكلوروفيل الرئيسي للنظام الضوئي الثاني يمتص الضوء بطول موجي 680 نانومتر. من خلال التفاعل مع بروتينات غشاء الثايلاكويد المختلفة ، فهي قادرة على امتصاص الضوء بأطوال موجية مختلفة قليلاً.

الآن دعونا نعود إلى ردود الفعل. فلنستعرض بقية الشكل 8.2 ونتحدث عن ردود الفعل المعتمدة على الضوء. لغرض وحيد هو إرباكك ، تبدأ النباتات عملية التمثيل الضوئي باستخدام النظام الضوئي II قبل النظام الضوئي الأول. عندما يضرب الضوء النظام الضوئي II ، يتم امتصاص الطاقة وتمريرها حتى تصل إلى P680 الكلوروفيل. عندما يكون هذا الكلوروفيل متحمسًا ، فإنه يمرر إلكتروناته إلى متقبل الإلكترون الأساسي. هذا هو المكان الذي يلعب فيه جزيء الماء. التحلل الضوئي في الفضاء الثايلاكويد يأخذ الإلكترونات من H.2 O ويمررها إلى P680 لتحل محل الإلكترونات المعطاة للمستقبل الأساسي. مع هذا التفاعل ، تتكون من الماء ذرة أكسجين وحيدة وزوج من أيونات الهيدروجين. تجد ذرة الأكسجين بسرعة رفيقًا آخر لذرة الأكسجين ، وتتزاوج معها ، وتولد O2 التي وضعتها لنا النباتات بلطف كل يوم. هذا هو المنتج الأول لتفاعلات الضوء.

ومع ذلك ، لا تتوقف ردود الفعل الضوئية عند هذا الحد. نحن بحاجة إلى النظر في ما يحدث للإلكترون الذي تم تمريره إلى متقبل الإلكترون الأساسي. يتم تمرير الإلكترون إلى النظام الضوئي I ، P700 ، بطريقة تذكرنا بسلسلة نقل الإلكترون. نظرًا لتمرير الإلكترونات من P680 إلى P700 ، يتم استخدام الطاقة المفقودة لإنتاج ATP (تذكر التشبع الكيميائي). هذا ATP هو المنتج الثاني لتفاعلات الضوء ويتم إنتاجه بطريقة مشابهة ميكانيكيًا للطريقة التي يتم بها إنتاج ATP أثناء الفسفرة المؤكسدة للتنفس. في النباتات ، تسمى عملية تكوين ATP هذه الفسفرة الضوئية.

بعد إثارة إلكترونات النظام الضوئي الأول ، يمرر النظام الضوئي الطاقة إلى متقبل الإلكترون الأساسي الخاص به. يتم إرسال هذه الإلكترونات إلى أسفل سلسلة أخرى فيفيروكسين ، الذي يتبرع بعد ذلك بالإلكترونات إلى NADP + لإنتاج NADPH ، المنتج الثالث والأخير لتفاعلات الضوء. (لاحظ كيف أنه في عملية التمثيل الضوئي ، يوجد NADPH بدلاً من NADH. يمكن أن يساعدك الرمز P على تذكر أنه يتعلق بالتمثيل الضوئي. )

تذكر ما يلي حول تفاعلات الضوء:

1. تحدث تفاعلات الضوء في غشاء الثايلاكويد.

2. مدخلات تفاعلات الضوء هي الماء والضوء.

3. تنتج تفاعلات الضوء ثلاثة منتجات: ATP و NADPH و O2 .

4. يأتي الأكسجين الناتج في تفاعلات الضوء من H2 O ، وليس CO2 .

يوجد مساران منفصلان يعتمدان على الضوء في النباتات. ما ناقشناه للتو هو تفاعل الضوء غير الدوري مسار. بالنظر إلى الاسم الأول ، فليس من الصادم اكتشاف وجود ملف رد فعل دوري للضوء مسار (الشكل 8.3 ). أحد الاختلافات الرئيسية بين الاثنين هو أنه في المسار غير الدوري ، تؤخذ الإلكترونات من الكلوروفيل أ لا يتم إعادة تدويرها إلى الحالة الأساسية. هذا يعني أن الإلكترونات لا تشق طريقها مرة أخرى إلى جزيء الكلوروفيل عندما يكتمل التفاعل. تنتهي الإلكترونات في NADPH. الفرق الرئيسي الآخر بين الاثنين هو أن المسار الدوري يستخدم فقط نظام ضوئي I لا يشارك النظام الثاني. في المسار الدوري ، يضرب ضوء الشمس P700 ، مما يثير الإلكترونات ويمررها من P700 إلى متقبل الإلكترون الأساسي. يطلق عليه مسار دوري لأن هذه الإلكترونات تمر عبر سلسلة الإلكترون وتعود في النهاية إلى P700 لإكمال الدورة. يتم تسخير الطاقة المنبعثة أثناء المرور أسفل السلسلة لإنتاج ATP و mdash المنتج الوحيد لهذا المسار. لا يتم إنتاج الأكسجين ولا NADPH من هذه التفاعلات.

الشكل 8.3 الفسفرة الحلقية . (من عند مادة الاحياء، الطبعة الثامنة ، بقلم سيلفيا إس مادير ، ونسخة 1985 ، 1987 ، 1990 ، 1993 ، 1996 ، 1998 ، 2001 ، 2004 بواسطة شركة McGraw Hill Companies، Inc. أعيد إنتاجها بإذن من شركات McGraw-Hill .)

السؤال الذي قد يتشكل عندما تقرأ هذا هو: "لماذا يستمر هذا المسار في الوجود؟" أو ربما تتساءل "لماذا يصرون على تعذيبي بالكتابة عن كل مواد التمثيل الضوئي هذه؟" سنجيب على السؤال الأول ونتجاهل الثاني. يوجد المسار الدوري لأن دورة كالفين ، التي نناقشها لاحقًا ، تستخدم ATP أكثر مما تستخدمه NADPH. يتسبب هذا في النهاية في حدوث مشكلة لأن التفاعلات الضوئية تنتج كميات متساوية من ATP و NADPH. يعوض المصنع هذا التباين عن طريق الانزلاق إلى المرحلة الدورية عند الحاجة لإنتاج ATP الضروري للحفاظ على التفاعلات المستقلة للضوء من السحق إلى التوقف.

قبل الانتقال إلى دورة كالفين ، من المهم أن نفهم كيف يتكون ATP. نحن نعلم ، نحن نعلم. . . كنت تعتقد أننا انتهينا. . . لكننا نريدك أن تكون خبيرًا في مجال التمثيل الضوئي. أنت لا تعرف أبدًا متى قد تكون هذه الحقائق في متناول اليد. على سبيل المثال ، في اليوم الآخر فقط ، عرض شخص عشوائي على أحدنا 10000 دولار أمريكي لسرد أوجه التشابه بين التمثيل الضوئي والتنفس. إذن ، هذه الأشياء يكون مفيد في الحياة اليومية. نظرًا لأن الإلكترونات تنتقل من مستقبل الإلكترون الأولي إلى النظام الضوئي التالي ، يتم التقاط أيونات الهيدروجين من خارج الغشاء وإعادتها إلى حجرة الثايلاكويد ، مما ينتج عنه تدرج H + مشابه لما رأيناه في الفسفرة التأكسدية. أثناء التفاعلات المعتمدة على الضوء ، عندما تؤخذ أيونات الهيدروجين من الماء أثناء التحلل الضوئي ، يزداد تدرج البروتون ، مما يتسبب في ترك بعض البروتونات ، مما يؤدي إلى تكوين ATP.

ستلاحظ أن هذه العملية في النباتات تختلف قليلاً عن الفسفرة المؤكسدة للميتوكوندريا ، حيث يتم إنشاء التدرج البروتوني عن طريق ضخ البروتونات من المصفوفة خارج إلى الفضاء بين الغشاء. في الميتوكوندريا ، ينتج ATP عندما تعود البروتونات إلى الوراء في . ولكن في النباتات ، تخلق الفسفرة الضوئية التدرج عن طريق ضخ البروتونات من السدى إلى حجرة الثايلاكويد ، ويتم إنتاج ATP مع عودة البروتونات خارج . تنتج ردود الفعل المتعارضة نفس النتيجة السعيدة و mdashmore ATP للخلايا.

التفاعلات الخفيفة المستقلة (دورة كالفين)

بعد أن تنتج تفاعلات الضوء ATP و NADPH الضروريين ، تكون مرحلة التركيب لعملية التمثيل الضوئي جاهزة للمضي قدمًا. المدخلات في دورة كالفين هي NADPH (الذي يوفر الهيدروجين والإلكترونات) ، ATP (الذي يوفر الطاقة) ، و CO2 . من الآن فصاعدًا ، فقط حتى لا نقودك مجنون بالتبديل من مصطلح إلى آخر ، سوف نطلق على ردود الفعل المظلمة لعملية التمثيل الضوئي دورة كالفين (الشكل 8.4 ). تحدث دورة كالفين في سدى البلاستيدات الخضراء ، وهو السائل المحيط بـ "رقائق البوكر" الثايلاكويد. (لمزيد من الفروق بين المسار الدوري ، المسار غير الدوري ، ودورة كالفين ، انظر الشكل 8.5 .)

الشكل 8.4 دورة كالفين. (من عند مادة الاحياء، الطبعة الثامنة ، بقلم سيلفيا إس مادير ، ونسخة 1985 ، 1987 ، 1990 ، 1993 ، 1996 ، 1998 ، 2001 ، 2004 بواسطة شركة McGraw Hill Companies، Inc. تم إعادة إنتاجها بإذن من شركات McGraw-Hill .)

الشكل 8.5 ملخص التمثيل الضوئي.

تبدأ دورة كالفن بخطوة تسمى تثبيت الكربون. هذا مصطلح صعب ومعقد يجعله يبدو أكثر إرباكًا مما هو عليه بالفعل. في الأساس ، تثبيت الكربون هو ارتباط الكربون من أول أكسيد الكربون2 لجزيء قادر على دخول دورة كالفين. عادةً ما يكون هذا الجزيء هو ribulose bis-phosphate ، وهو جزيء مكون من 5 كربون معروف لأصدقائه المقربين باسم RuBP. هذا التفاعل يساعده الإنزيم بأحد الأسماء الأكثر برودة في العمل: روبيسكو. نتيجة هذا التفاعل هو جزيء من 6 كربون ينقسم إلى جزئين من 3 كربون 3-فوسفوجليسيرات (3PG). تصعد ATP و NADPH في هذه المرحلة وتتبرع بمجموعة الفوسفات وإلكترونات الهيدروجين ، على التوالي ، إلى (3PG) لتكوين glyceraldehyde 3-phosphate (G3P). يتم تحويل معظم G3P المنتج مرة أخرى إلى RuBP لإصلاح المزيد من الكربون. يتم تحويل G3P المتبقي إلى جزيء سكر من 6 كربون ، والذي يستخدم لبناء الكربوهيدرات للنبات. تستخدم هذه العملية ATP أكثر من NADPH. هذا هو التباين الذي يجعل الفسفرة الضوئية الدورية ضرورية في التفاعلات المعتمدة على الضوء.

نحن نعلم أنه بالنسبة للبعض منكم ، تحتوي المناقشة السابقة على العديد من الأسماء العلمية الصعبة ، والكلمات المكتوبة بشكل غريب ، والاختصارات الباطنية. إذن ، إليك الخلاصة و mdashy يجب أن تتذكر ما يلي حول دورة كالفن:

1. تحدث دورة كالفين في سدى البلاستيدات الخضراء.

2. المدخلات في دورة كالفين هي NADPH و ATP و CO2 .

3. منتجات دورة كالفين هي NADP + و ADP والسكر.

4. يتم استخدام ATP أكثر من NADPH ، مما يخلق الحاجة إلى الفسفرة الضوئية الدورية لتكوين ATP كافٍ للتفاعلات.

5. يأتي كربون السكر المنتج في عملية التمثيل الضوئي من ثاني أكسيد الكربون2 من دورة كالفين.

أنواع التمثيل الضوئي

لا تعيش النباتات دائمًا في ظروف التمثيل الضوئي المثالية. يجب على بعض المصانع إجراء تغييرات على النظام من أجل استخدام الضوء وإنتاج الطاقة بنجاح. تحتوي النباتات على هيكل يسمى أ الثغور والتي تتكون من مسام يخرج من خلالها الأكسجين ويدخل ثاني أكسيد الكربون إلى الورقة لاستخدامه في عملية التمثيل الضوئي. النتح هي العملية الطبيعية التي تفقد بها النباتات الماء عن طريق التبخر من أوراقها. عندما تكون درجة الحرارة عالية جدًا ، يجب على النباتات أن تقلق بشأن النتح الزائد. هذه مشكلة محتملة للنباتات لأنها تحتاج إلى الماء لمواصلة عملية التمثيل الضوئي. لمكافحة مشكلة التبخر هذه ، يجب على النباتات إغلاق ثغورها للحفاظ على المياه. لكن هذا الحل يؤدي إلى مشكلتين مختلفتين: (1) كيف سيحضرون ثاني أكسيد الكربون2 مطلوب لعملية التمثيل الضوئي؟ و (2) ماذا ستفعل النباتات مع فائض O2 التي تتراكم عند إغلاق الثغور؟

عندما تغلق النباتات ثغورها للحماية من فقدان الماء ، فإنها تعاني من نقص في ثاني أكسيد الكربون2 ، والأكسجين الناتج عن تفاعلات الضوء غير قادر على مغادرة النبات. يتنافس هذا الأكسجين الزائد مع ثاني أكسيد الكربون ويلتصق بـ RuBP في تفاعل يسمى التنفس الضوئي. ينتج عن هذا تكوين جزيء واحد من PGA وجزيء واحد من الفوسفوجليكولات. هذا ليس رد فعل مثالي لأن السكر المتكون في عملية التمثيل الضوئي يأتي من PGA ، وليس من الفوسفوجليكولات. ونتيجة لذلك ، فإن النباتات التي تعاني من التنفس الضوئي لديها قدرة أقل على النمو. يميل التنفس الضوئي إلى الحدوث في الأيام الحارة والجافة عندما تكون ثغور النبات مغلقة.

مجموعة من النباتات تسمى ج4 النباتات محاربة التنفس الضوئي عن طريق تغيير الخطوة الأولى من دورة كالفين الخاصة بهم. عادة ، ينتج عن تثبيت الكربون جزيئين من 3 كربون. في C4 النباتات ، تنتج خطوة تثبيت الكربون جزيء 4 كربون يسمى أوكسالو أسيتات. يتم تحويل هذا الجزيء إلى مالات ويتم إرساله من خلايا الميزوفيل إلى خلايا غلاف الحزمة ، حيث يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون2 يستخدم لبناء السكر. ال ميسوفيل هو نسيج الجزء الداخلي من الورقة ، و خلايا ميسوفيل هي خلايا تحتوي على مجموعات من البلاستيدات الخضراء. حزم غمد الخلايا هي خلايا ملفوفة بإحكام حول عروق الورقة. هم موقع دورة كالفين في سي4 النباتات.

ما هو الفرق بين سي3 النباتات وج4 النباتات؟ أحد الاختلافات هو أن C4 تحتوي النباتات على نوعين مختلفين من خلايا التمثيل الضوئي: (1) خلايا غمد الحزمة معبأة بإحكام ، والتي تحيط بوريد الورقة ، و (2) خلايا ميسوفيل. هناك اختلاف آخر يتعلق بالمنتج الأول لتثبيت الكربون. بالنسبة لـ C3 النباتات ، وهي PGA ، لـ C4 النباتات ، وهي أوكسالو أسيتات. ج4 النباتات قادرة على إجراء عملية التمثيل الضوئي بنجاح في هذه المناطق الساخنة بسبب وجود إنزيم يسمى PEP (فسفوينول بيروفات ) الكربوكسيلاز . هذا الإنزيم يريد حقًا الارتباط بـ CO2 ولا ينخدع بالأكسجين الملتوي لاستخدامه بدلاً من ثاني أكسيد الكربون الضروري2 . يفضل PEP carboxylase الاقتران مع CO2 بدلا من O2 ، وهذا يقلل من التنفس الضوئي لـ C4 النباتات. يحدث تحويل PEP إلى oxaloacetate في خلايا mesophyll ثم ، بعد تحويله إلى malate ، يتم شحن PEP إلى خلايا غلاف الحزمة. تحتوي هذه الخلايا على إنزيمات عملية التمثيل الضوئي ، بما في ذلك روبيكو صديقنا الجيد. تطلق malate ثاني أكسيد الكربون2 ، والذي يتم استخدامه بعد ذلك بواسطة rubisco لأداء تفاعلات التمثيل الضوئي. تتصدى هذه العملية لمشكلة التنفس الضوئي بسبب انتقال ثاني أكسيد الكربون2 من الخلايا المتوسطة إلى خلايا غلاف الحزمة تحافظ على ثاني أكسيد الكربون2 تركيز عالٍ بما يكفي بحيث لا يضربه الأكسجين من أجل حب واهتمام روبيكو.

أحد الأشكال الأخيرة لعملية التمثيل الضوئي التي يجب أن ننظر إليها هو الوظيفة التي يؤديها كام (استقلاب حمض الكراسولاسين) النباتات ونباتات تخزين المياه ، مثل الصبار ، التي تغلق ثغورها بالنهار وتفتحها ليلاً لتجنب النتح خلال الأيام الحارة ، دون استنفاد ثاني أكسيد الكربون في النبات2 محميات. شركة CO2 يتم تخزينها أثناء الليل كأحماض عضوية في فجوات الخلايا المتوسطة حتى الفجر عندما تغلق الثغور. دورة كالفين قادرة على المضي قدما خلال النهار لأن ثاني أكسيد الكربون المخزن2 يتم إطلاقه ، حسب الحاجة ، من الأحماض العضوية ليتم دمجها في منتج السكر في دورة كالفين.

لتلخيص هذين النوعين المختلفين من التمثيل الضوئي:

ج4 البناء الضوئي: عملية التمثيل الضوئي التي تحول أول أكسيد الكربون2 إلى جزيء 4 كربون في خلايا الوسطية ، يحول هذا المنتج إلى مالات ، ثم ينقل المالات إلى خلايا غلاف الحزمة. هناك ، يطلق مالات ثاني أكسيد الكربون2 ، الذي يتفاعل مع الروبيكو لإنتاج منتج الكربوهيدرات لعملية التمثيل الضوئي.

التمثيل الضوئي CAM: النباتات تغلق ثغورها خلال النهار ، وتجمع ثاني أكسيد الكربون2 ليلاً ، وقم بتخزين ثاني أكسيد الكربون2 على شكل أحماض حتى تكون هناك حاجة إليها أثناء النهار لعملية التمثيل الضوئي.

راجع الأسئلة

الأسئلة من 1 إلى 4 تشير إلى خيارات الإجابة التالية و mdashuse لكل إجابة مرة واحدة فقط.

د- الفسفرة الضوئية الحلقية

E. فسفرة ضوئية غير دورية

1 . تستخدم النباتات هذه العملية حتى تتمكن من فتح ثغورها ليلاً وإغلاق ثغورها خلال النهار لتجنب فقدان الماء خلال الأيام الحارة ، دون استنفاد ثاني أكسيد الكربون في النبات.2 محميات.

2 . يستخدم NADPH و ATP و CO2 as the inputs to its reactions.

3 . Photosynthetic process that has ATP as its sole product. There is no oxygen and no NADPH produced from these reactions.

4 . The process by which plants lose water via evaporation through their leaves.

5 . The photosynthetic process performed by some plants in an effort to survive the hot and dry conditions of climates such as the desert is called

D. cyclic photophosphorylation.

E. noncyclic photophosphorylation.

6 . Which of the following is the photosynthetic stage that produces oxygen?

A. The light-dependent reactions

7 . Which of the following reactions occur in both cellular respiration and photosynthesis?

8 . أي مما يلي هو ليس a product of the light-dependent reactions of photosynthesis?

9 . Which of the following is an advantage held by a C4 مصنع؟

A. More efficient light absorption

B. More efficient photolysis

C. More efficient carbon fixation

D. More efficient uptake of carbon dioxide into the stomata

E. More efficient ATP synthesis during chemiosmosis

10 . Carbon dioxide enters the plant through the

11 . Which of the following is the source of the oxygen released during photosynthesis?

12 . Which of the following is an incorrect statement about the Calvin cycle?

A. The main inputs to the reactions are NADPH, ATP, and CO2 .

B. The main outputs of the reactions are NADP + , ADP, and sugar.

C. More NADPH is used than ATP during the Calvin cycle.

D. Carbon fixation is the first step of the process.

E. The reactions occur in the stroma of the chloroplast.

13 . Which of the following is the source of the carbon in sugar produced during photosynthesis?

14 . The light-dependent reactions of photosynthesis occur in the

Answers and Explanations

1 . ج &mdashCAM plants open their stomata at night and close their stomata during the day to avoid water loss due to heat. The carbon dioxide taken in during the night is incorporated into organic acids and stored in vacuoles until the next day, when the stomata close and CO2 is needed for the Calvin cycle.

2 . ب &mdashThe Calvin cycle uses ATP, NADPH, and CO2 to produce the desired sugar output of photosynthesis.

3 . د &mdashCyclic photophosphorylation occurs because the Calvin cycle uses more ATP than it does NADPH. This is a problem because the light reactions produce an equal amount of ATP and NADPH. The plant compensates for this disparity by dropping into the cyclic phase when needed to produce the ATP necessary to keep the light-independent reactions from grinding to a halt.

4 . أ &mdashTranspiration is the process by which plants lose water through their leaves. Not much else to be said about that.

5 . ج &mdashOne of the major problems encountered by plants in hot and dry conditions is of photo-respiration. In hot conditions, plants close their stomata to avoid losing water to transpiration. The problem with this is that the plants run low on CO2 and fill with O2 . The oxygen competes with the carbon dioxide and attaches to RuBP, leaving the plant with a lowered capacity for growth. ج4 plants cycle CO2 from mesophyll cells to bundle sheath cells, creating a higher concentration of CO2 in that region, thus allowing rubisco to carry out the Calvin cycle without being distracted by the O2 competitor.

6 . أ &mdashThe light-dependent reactions are the source of the oxygen given off by plants.

7 . د &mdashChemiosmosis occurs in both photosynthesis and cellular respiration. This is the process by which the formation of ATP is driven by electrochemical gradients in the cell. Hydrogen ions accumulate on one side of a membrane, creating a proton gradient that causes them to move through channels to the other side of that membrane, thus leading, with the assistance of ATP synthase, to the production of ATP.

8 . د &mdashSugar is a product not of the light-dependent reactions of photosynthesis but of the Calvin cycle (the dark reactions). The outputs of the light-dependent reactions are ATP, NADPH, and O2 .

9 . ج &mdashC4 plants fix carbon more efficiently than do C3 النباتات. Please see the explanation for question 5 for a more detailed explanation of this answer.

10 . أ &mdashThe stomata is the structure through which the CO2 enters a plant and the oxygen produced in the light-dependent reactions leaves the plant.

11 . ب &mdashThe source of the oxygen produced during photosynthesis is the water that is split by the process of photolysis during the light-dependent reactions of photosynthesis. In this reaction, two hydrogen ions and an oxygen atom are formed from the water. The oxygen atom immediately finds and pairs up with another oxygen atom to form the oxygen product of the light-dependent reactions.

12 . ج &mdashThis is a trick question. We reversed the two compounds (NADPH and ATP) in this one. More ATP than NADPH is used in the Calvin cycle. It is for this reason that cyclic photophosphorylation exists&mdashto produce ATP to make up for this disparity.

13 . أ &mdashThe carbon of CO2 is used to produce the sugar created during the Calvin cycle.

14 . ج &mdashThe light-dependent reactions occur in the thylakoid membrane of the chloroplast. Remember, the thylakoid system resembles the various stacks of poker chips located within the stroma of the chloroplast. The light-independent reactions occur in the stroma of the chloroplast.

Rapid Review

The following terms should be thoroughly familiar to you:

Photosynthesis: process by which plants use the energy from light to generate sugar.

• Light reactions (thylakoid)

Autotroph: self-nourishing organism that is also known as a producer (plants).

Heterotroph: organisms that must consume other organisms to obtain energy&mdashconsumers (humans).

Transpiration: loss of water via evaporation through the stomata (natural process).

Photophosphorylation: process by which ATP is made during light reactions.

Photolysis: process by which water is split into hydrogen ions and oxygen atoms (light reactions).

Stomata: structure through which CO2 enters a plant, and water vapor and oxygen leave a plant.

Pigment: molecule that absorbs light of a particular wavelength (chlorophyll, carotenoid, phycobilins).

There are three types of photosynthesis reactions:

(Noncyclic ) ردود الفعل التي تعتمد على الضوء

• Occur in thylakoid membrane of chloroplast.

• Inputs are light and water.

• Light strikes photosystem II (P680).

• Electrons pass along until they reach primary electron acceptor.

• Photolysis occurs&mdashH2 O is split to H + and O2 .

• Electrons pass down an ETC to P700 (photosystem I), forming ATP by chemiosmosis.

• Electrons of P700 pass down another ETC to produce NADPH.

• Three products of light reactions are NADPH, ATP, and O2 .

• Oxygen produced comes from H2 س.

(Cyclic ) ردود الفعل التي تعتمد على الضوء

• Occur in thylakoid membrane.

• Only involves photosystem I no photosystem II.

• ATP is the only product of these reactions.

• No NADPH or oxygen are produced.

• These reactions exist because the Calvin cycle uses more ATP than NADPH this is how the difference is made up.

تفاعلات الضوء المستقلة (دورة كالفين )

• Occurs in stroma of chloroplast.

• Inputs are NADPH, ATP, and CO2 .

• First step is carbon fixation, which is catalyzed by an enzyme named rubisco.

• A series of reactions lead to the production of NADP + , ADP, and sugar.

• More ATP is used than NADPH, which creates the need for the cyclic light reactions.

• The carbon of the sugar product comes from CO2 .

ج4 النباتات &mdashplants that have adapted their photosynthetic process to more efficiently handle hot and dry conditions.

ج4 البناء الضوئي &mdashprocess that first converts CO2 into a 4-carbon molecule in the mesophyll cells, converts الذي - التي product to malate, and then shuttles it to the bundle sheath cells, where the malate releases CO2 and rubisco picks it up as if all were normal.

CAM plants &mdashplants that close their stomata during the day, collect CO2 at night, and store the CO2 in the form of acids until it is needed during the day for photosynthesis.

البناء الضوئي

1 . Which of the following do CAM and C4 plants have in common?

(A) They are known to survive well in excessively moist environments.

(B) They readily bind carbon dioxide.

(C) They produce sugar more efficiently than do C3 النباتات.

(D) They produce ATP less efficiently than do C3 النباتات.

2 . All of the following are directly involved in photosystems EXCEPT

3 . Which of the following processes occurs in both cellular respiration and photosynthesis?

4 . Which of the following processes represents an anaerobic pathway that produces ATP less efficiently than do oxygen-driven processes?

Answers and Explanations

1 . ب &mdashBoth plants provide alternatives to carbon fixation and readily attach to carbon dioxide molecules.

2 . د &mdashRubisco is the only choice not directly involved in photosystems. Rubisco is an enzyme that catalyzes the first step of the Calvin cycle in C3 النباتات.

3 . د &mdashChemiosmosis is the process by which the formation of ATP is driven by electrochemical gradients in the cell. This process occurs in both respiration and photosynthesis.

If you are the copyright holder of any material contained on our site and intend to remove it, please contact our site administrator for approval.


العمل العملي للتعلم

It is fairly easy to show that plants produce oxygen and starch in البناء الضوئي. At age 14–16 students may have collected the gas given off by pond weed (for example إلوديا) and tested leaves for starch.

It is not quite so easy to demonstrate the other reactions in photosynthesis. بالنسبة إلى reduction of carbon dioxide to carbohydrate there must be a source of الإلكترونات. In the cell, NADP is the electron acceptor which is reduced in the light-dependent reactions, and which provides electrons and hydrogen for the light-independent reactions.

In this investigation, DCPIP (2,6-dichlorophenol-indophenol), a blue dye, acts as an electron acceptor and becomes colourless when reduced, allowing any reducing agent produced by the chloroplasts to be detected.

تنظيم الدرس

This investigation depends on working quickly and keeping everything cool. Your students will need to understand all the instructions in advance to be sure that they know what they are doing.

الأجهزة والكيماويات

Per student or group of students:

Centrifuge – with RCF between 1500 and 1800g

Fresh green spinach, lettuce or cabbage, 3 leaves (discard the midribs)

Cold pestle and mortar (or blender or food mixer) which has been kept in a freezer compartment for 15–30 minutes (if left too long the extract will freeze)

Muslin or fine nylon mesh

Glass rod or Pasteur pipette

Measuring cylinder, 20 cm 3

Pipettes, 5 cm 3 and 1 cm 3

Bench lamp with 100 W bulb

Waterproof pen to label tubes

Colorimeter and tubes or light sensor and data logger

0.05 M phosphate buffer solution, pH 7.0: Store in a refrigerator at 0–4 °C (ملاحظة 1).

Isolation medium (sucrose and KCl in phosphate buffer): Store in a refrigerator at 0–4 °C (ملاحظة 2).

Potassium chloride (Low Hazard) (ملاحظة 3).

DCPIP solution (Low Hazard): (1 x 10 - 4 M approx.) (ملاحظة 4)

الصحة و أمبير السلامة والملاحظات الفنية

Although DCPIP presents minimal hazard apart from staining, it is best to avoid skin contact in case prolonged contact with the dye causes sensitisation.
Do not handle electric light bulbs with wet hands.
All solutions used are low hazard – refer to relevant CLEAPSS Hazcards and Recipe cards for more information.

1 0.05 M phosphate buffer solution, pH 7.0. نا2HPO4.12H2O, 4.48 g (0.025 M) KH2ص4, 1.70 g (0.025 M). Make up to 500 cm 3 with distilled water and store in a refrigerator at 0–4 °C. Low hazard – refer to CLEAPSS Hazcard 72.

2 Isolation medium. Sucrose 34.23 g (0.4 M) KCl 0.19 g (0.01 M). Dissolve in phosphate buffer solution (pH 7.0) at room temperature and make up to 250 cm 3 with the buffer solution. Store in a refrigerator at 0–4 °C. Low hazard – refer to CLEAPSS Hazcard 40C.

3 Potassium chloride 0.05 M. Dissolve 0.93 g in phosphate buffer solution at room temperature and make up to 250 cm 3 . Store in a refrigerator at 0–4 °C. Use at room temperature.(Note that Potassium chloride is a cofactor for the Hill reaction.) Refer to CLEAPSS Hazcard 47B and Recipe card 51.

4 DCPIP solution DCPIP 0.007–0.01 g, made up to 100 cm 3 with phosphate buffer. Refer to CLEAPSS Hazcard 32 and Recipe card 46.

إجراء

Keep solutions and apparatus cold during the extraction procedure, steps 1–8, to preserve enzyme activity. Carry out the extraction as quickly as possible.

تحضير

أ Cut three small green spinach, lettuce or cabbage leaves into small pieces with scissors, but discard the tough midribs and leaf stalks. Place in a cold mortar or blender containing 20 cm 3 of cold isolation medium. (Scale up quantities for blender if necessary.)

ب Grind vigorously and rapidly (or blend for about 10 seconds).

ج Place four layers of muslin or nylon in a funnel and wet with cold isolation medium.

د Filter the mixture through the funnel into the beaker and pour the filtrate into pre-cooled centrifuge tubes supported in an ice-water-salt bath. Gather the edges of the muslin, wring thoroughly into the beaker, and add filtrate to the centrifuge tubes.

ه Check that each centrifuge tube contains about the same volume of filtrate.

F Centrifuge the tubes for sufficient time to get a small pellet of chloroplasts. (10 minutes at high speed should be sufficient.)

ز Pour off the liquid (supernatant) into a boiling tube being careful not to lose the pellet. Re-suspend the pellet with about 2 cm 3 of isolation medium, using a glass rod. Squirting in and out of a Pasteur pipette five or six times gives a uniform suspension.

ح Store this leaf extract in an ice-water-salt bath and use as soon as possible.

Investigation using the chloroplasts

Read all the instructions before you start. Use the DCPIP solution at room temperature.

أنا Set up 5 labelled tubes as follows.

ي When the DCPIP is added to the extract, shake the tube and note the time. Place tubes 1, 2 and 4 about 12–15 cm from a bright light (100 W). Place tube 3 in darkness.

ك Time how long it takes to decolourise the DCPIP in each tube. If the extract is so active that it decolourises within seconds of mixing, dilute it 1:5 with isolation medium and try again.

ملاحظات التدريس

Traditionally the production of oxygen and starch are used as evidence for photosynthesis. The light-dependent reactions produce a reducing agent. This normally reduces NADP, but in this experiment the electrons are accepted by the blue dye DCPIP. Reduced DCPIP is colourless. The loss of colour in the DCPIP is due to reducing agent produced by light-dependent reactions in the extracted chloroplasts.

Students must develop a clear understanding of the link between the light-dependent and light-independent reactions to be able to interpret the results. Robert Hill originally completed this investigation in 1938 he concluded that water had been split into hydrogen and oxygen. This is now known as the Hill reaction.

You can examine a drop of the sediment extract with a microscope under high power to see chloroplasts. There will be fewer chloroplasts in the supernatant – which decolourises the DCPIP more slowly, reinforcing the idea that the reduction is the result of chloroplast activity.

Sample results

Using a bench centrifuge

The experimental procedure was followed. A standard lab centrifuge was used to spin down the chloroplasts (Clifton NE 010GT/I) at 2650 RPM, 95 X ز لمدة 10 دقيقة.

The experiment was started within 5 minutes of preparing the chloroplasts. The reaction was followed using an EEL colorimeter with a red filter – readings taken every minute.

Tube 3 (incubated in the dark) gave a reading of 5.4 absorption units after 20 minutes.
Tube 2 (DCPIP with no leaf extract) was 6.2 absorption units.

Using a micro-centrifuge

The experiment was repeated using a micro-centrifuge.

Tube 3 (incubated in the dark) gave a reading of 4.9 absorption units after 10 minutes.

Tube 2 (DCPIP with no leaf extract) was 6.4 absorption Units.

The relative activity of the pellet was higher than when the bench centrifuge was used. The micro-centrifuge tubes were only 1.5 cm 3 capacity – not ideal for this practical. A higher speed bench centrifuge would be better.

In order to check for loss of chloroplast activity, the experiment was repeated using the same chloroplast suspension 1 and 2 hours after preparation. Chloroplast suspension was kept in a salt-ice bath. There was no loss of activity when the extract was kept in ice for up to 2 hours.

Student questions

1 Describe and explain the changes observed in the five tubes. Compare the results and make some concluding comments about what they show.

2 The rate of photosynthesis in intact leaves can be limited by several factors including light, temperature and carbon dioxide. Which of these factors will have little effect on the reducing capacity of the leaf extract?

3 Describe how you might extend this practical to investigate the effect of light intensity on the light-dependent reactions of photosynthesis.

1 Colour change and inferences that can made from the results:
Tube 1 (leaf extract + DCPIP) colour changes until it is the same colour as tube 4 (leaf extract + distilled water).
Tube 2 (isolation medium + DCPIP) no colour change. This shows that the DCPIP does not decolourise when exposed to light.
Tube 3 (leaf extract + DCPIP in the dark) no colour change. It can therefore be inferred that the loss of colour in tube 1 is due to the effect of light on the extract.
Tube 4 (leaf extract + distilled water) no colour change. This shows that the extract does not change colour in the light. It acts as a colour standard for the extract without DCPIP.
Tube 5 (supernatant + DCPIP) no colour change if the supernatant is clear if it is slightly green there may be some decolouring.
The results should indicate that the light-dependent reactions of photosynthesis are restricted to the chloroplasts that have been extracted.

2 Carbon dioxide will have no effect, because it is not involved in the light-dependent reactions.

3 Students should describe a procedure in which light intensity is varied but temperature is controlled.


ردود الفعل الخفيفة

This activity reviews the light dependent reactions of photosynthesis which occurs on the thylakoids of the chloroplast. A first activity introduces the parts of the membrane and the stages of the reactions, a second activity uses SOLO hexagons to give students an opportunity to organise the ideas into a sequence or into groups. The final activity illustrates a method of remembering a complex sequence of reactions like.

للوصول إلى محتويات هذا الموقع بالكامل ، يلزمك تسجيل الدخول أو الاشتراك فيه.


شاهد الفيديو: فضيحة وله تسوي حركة حرام وعيب باصابعها! الله يهديها (كانون الثاني 2022).