معلومة

الطاقة الضوئية والأصباغ * # - علم الأحياء

الطاقة الضوئية والأصباغ * # - 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.

تبعث الشمس كمية هائلة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (الطاقة الشمسية) التي تمتد على مساحة واسعة من المجال الكهرومغناطيسي، مدى كل ترددات الإشعاع الممكنة. في Bis2a نحن مهتمون إلى حد كبير بالأخير ونناقش بعض المفاهيم الأساسية للغاية المتعلقة بالضوء وتفاعله مع علم الأحياء أدناه.

الطاقة الضوئية

أولاً ، ومع ذلك ، نحتاج إلى تحديث بعض الخصائص الرئيسية للضوء.

  1. ينتقل الضوء في الفراغ بسرعة ثابتة تبلغ 299.792.458 م / ث. غالبًا ما نختصر سرعة الضوء بالمتغير "c".
  2. للضوء خصائص الأمواج. "لون" معين من الضوء له طول موجي مميز.

شكل 1: يشار إلى المسافة بين القمم في الموجة على أنها الطول الموجي ويتم اختصارها بالحرف اليوناني لامدا (Ⲗ).
الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

الشكل 2: التناسب العكسي للتردد وطول الموجة. الطول الموجي للموجة 1 هو 2X من الموجة 2 (Ⲗ1> Ⲗ2). إذا كانت الموجتان تتحركان بنفس السرعة (ج) - تخيل أن كلا الخطين المرسومين بالكامل يتم سحبهما بعد الخط العمودي الثابت بنفس السرعة - فإن عدد المرات التي تمر فيها ذروة الموجة بنقطة ثابتة هو أكبر للموجة 2 من الموجة 1 (f2> f1).
الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

4. أخيرًا ، يرتبط كل تردد (أو طول موجي) للضوء بطاقة معينة. سوف نسمي الطاقة "E". العلاقة بين التردد والطاقة هي:

[E = h ، f ]

حيث (h ) ثابت يسمى ثابت بلانك (~ 6.626x10-34 جول • ثانية عندما يتم التعبير عن التردد في دورات في الثانية). بالنظر إلى العلاقة بين التردد والطول الموجي ، يمكنك أيضًا كتابة E = h * c / Ⲗ. لذلك ، كلما زاد التردد (أو أقصر طول الموجة) كلما زادت الطاقة المرتبطة "بلون" معين. الموجة 2 في الشكل أعلاه لديها طاقة أكبر من الموجة 1.

الشكل 3: تبعث الشمس الطاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي. تتميز جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية ، بما في ذلك الضوء المرئي ، بطول موجتها. كلما زاد الطول الموجي ، قلت الطاقة التي يحملها. كلما كان الطول الموجي أقصر كلما زادت الطاقة المرتبطة بهذا النطاق من الطيف الكهرومغناطيسي.

النور الذي نراه

يتكون الضوء المرئي الذي يراه البشر كضوء أبيض من قوس قزح من الألوان ، ولكل منها طول موجي مميز. تقوم أشياء معينة ، مثل المنشور أو قطرة ماء ، بتشتيت الضوء الأبيض للكشف عن الألوان للعين البشرية. في الطيف المرئي ، يكون للضوء البنفسجي والأزرق أطوال موجية أقصر (طاقة أعلى) بينما يكون للضوء البرتقالي والأحمر أطوال موجية أطول (طاقة أقل).

الشكل 4: 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)

الامتصاص بواسطة الصبغات

يحدث التفاعل بين الضوء والأنظمة البيولوجية من خلال عدة آليات مختلفة ، قد تتعلم بعضها في دورات القسم العلوي في علم وظائف الأعضاء الخلوية أو الكيمياء الفيزيائية الحيوية. في Bis2a ، نحن مهتمون في الغالب بتفاعل الضوء والأصباغ البيولوجية. يمكن أن تبدأ هذه التفاعلات مجموعة متنوعة من العمليات البيولوجية المعتمدة على الضوء والتي يمكن تجميعها بشكل كبير في فئتين وظيفيتين: الإشارات الخلوية وحصاد الطاقة. تعتبر تفاعلات الإشارات مسؤولة إلى حد كبير عن إدراك التغييرات في البيئة (في هذه الحالة التغييرات في الضوء). مثال على تفاعل الإشارات قد يكون التفاعل بين الضوء والأصباغ المعبر عنها في العين. على النقيض من ذلك ، يتم استخدام تفاعلات الضوء / الصبغة التي تشارك في حصاد الطاقة - وليس من المستغرب - التقاط الطاقة في الضوء ونقلها إلى الخلية لتغذية العمليات البيولوجية. يعد التمثيل الضوئي ، الذي سنتعلم المزيد عنه قريبًا ، أحد الأمثلة على تفاعل حصاد الطاقة.

في مركز التفاعلات البيولوجية مع الضوء توجد مجموعات من الجزيئات نسميها أصباغ عضوية. سواء كانت في شبكية العين البشرية ، أو ثايلاكويد البلاستيدات الخضراء ، أو الغشاء الميكروبي ، غالبًا ما تحتوي الأصباغ العضوية على نطاقات محددة من الطاقة أو الأطوال الموجية التي يمكن أن تمتصها. ترجع حساسية هذه الجزيئات للأطوال الموجية المختلفة للضوء إلى تكويناتها وتركيباتها الكيميائية الفريدة. يتم إعطاء مجموعة من الطيف الكهرومغناطيسي اسمين خاصين بسبب حساسية بعض الأصباغ البيولوجية الرئيسية: صبغة الشبكية في أعيننا ، عند اقترانها ببروتين مستشعر opsin ، "ترى" (تمتص) الضوء في الغالب بين الأطوال الموجية بين من 700 نانومتر و 400 نانومتر. نظرًا لأن هذا النطاق يحدد الحدود الفيزيائية للطيف الكهرومغناطيسي التي يمكننا رؤيتها بأعيننا بالفعل ، فإننا نشير إلى نطاق الطول الموجي هذا على أنه "النطاق المرئي". لأسباب مماثلة - تميل جزيئات صبغ النباتات إلى امتصاص الأطوال الموجية للضوء في الغالب بين 700 نانومتر و 400 نانومتر - يشير علماء فسيولوجيا النبات إلى هذا النطاق من الأطوال الموجية على أنه "إشعاع ضوئي نشط".

نوعان رئيسيان من الأصباغ نناقشهما في Bis2a

الكلوروفيل (بما في ذلك البكتيريا الكلوروفيل) جزء من عائلة كبيرة من جزيئات الصباغ. هناك خمسة أصباغ الكلوروفيل الرئيسية المسماة: أ, ب, ج, د، و F. الكلوروفيل أ يرتبط بفئة من الجزيئات القديمة الموجودة في البكتيريا تسمى الكلوروفيل الجرثومي. تتميز الكلوروفيل من الناحية الهيكلية بمجموعة بورفيرين تشبه الحلقة التي تنسق أيون معدني. يرتبط هيكل الحلقة هذا كيميائيًا ببنية مركبات الهيم التي تنسق أيضًا المعدن وتشارك في ربط الأكسجين و / أو نقله في العديد من الكائنات الحية. تتميز أنواع الكلوروفيل المختلفة عن بعضها البعض "بزخارف" مختلفة / مجموعات كيميائية على حلقة البورفيرين.

الشكل 5: هيكل جزيئات الهيم والكلوروفيل. حلقة البورفيرين الشائعة ملونة باللون الأحمر. الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

الكاروتينات هي الصبغات الحمراء / البرتقالية / الصفراء الموجودة في الطبيعة. توجد في الفاكهة - مثل أحمر الطماطم (اللايكوبين) ، أو أصفر بذور الذرة (زياكسانثين) ، أو برتقالة قشر البرتقال (كاروتين) - والتي تُستخدم كـ "إعلانات" بيولوجية لجذب مشتتات البذور (الحيوانات أو الحشرات التي قد تحمل البذور في مكان آخر). في عملية التمثيل الضوئي ، تعمل الكاروتينات كأصباغ ضوئية. بالإضافة إلى ذلك ، عندما تتعرض الورقة لأشعة الشمس الكاملة ، فإن هذا السطح مطلوب لمعالجة كمية هائلة من الطاقة ؛ إذا لم يتم التعامل مع هذه الطاقة بشكل صحيح ، فقد تحدث أضرارًا كبيرة. لذلك ، تساعد العديد من الكاروتينات على امتصاص الطاقة الزائدة في الضوء وتبديد تلك الطاقة بأمان كحرارة.

الفلافونويد أدخل الوصف هنا

يمكن التعرف على كل نوع من الأصباغ من خلال النمط المحدد للأطوال الموجية التي تمتصها من الضوء المرئي. تُعرف هذه الخاصية بالصباغ طيف الامتصاص. يوضح الرسم البياني في الشكل أدناه 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. تعود هذه الاختلافات في الامتصاصية إلى الاختلافات في التركيب الكيميائي (بعضها موضّح في الشكل). 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.

الشكل 6: (أ) الكلوروفيل أ ، (ب) الكلوروفيل ب ، و (ج) بيتا كاروتين هي أصباغ عضوية كارهة للماء توجد في غشاء الثايلاكويد. الكلوروفيل أ وب ، المتماثلان باستثناء الجزء الموضح في المربع الأحمر ، مسؤولان عن اللون الأخضر للأوراق. لاحظ كيف أن مقدار الاختلاف الصغير في التركيب الكيميائي بين أنواع الكلوروفيل المختلفة يؤدي إلى أطياف امتصاص مختلفة. β-carotene مسؤول عن اللون البرتقالي في الجزر. كل صبغة لها (د) طيف امتصاص فريد.

أهمية من وجود أصباغ مختلفة متعددة

لا تتمتع جميع الكائنات الحية الضوئية بوصول كامل إلى ضوء الشمس. تنمو بعض الكائنات الحية تحت الماء حيث تنخفض شدة الضوء والأطوال الموجية المتاحة وتتغير ، على التوالي ، مع العمق. تنمو الكائنات الحية الأخرى في المنافسة على الضوء. على سبيل المثال ، يجب أن تكون النباتات الموجودة في أرض الغابات المطيرة قادرة على امتصاص أي جزء من الضوء يأتي من خلالها ، لأن الأشجار الأطول تمتص معظم ضوء الشمس وتبعثر الإشعاع الشمسي المتبقي. لحساب ظروف الإضاءة المتغيرة هذه ، تمتلك العديد من الكائنات الحية الضوئية مزيجًا من الأصباغ التي يمكن ضبط تعبيرها لتحسين قدرة الكائن الحي على امتصاص الطاقة من نطاق أوسع من الأطوال الموجية مما يمكن أن يكون ممكنًا باستخدام صبغة واحدة فقط.


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 طاقة الموجة عن طريق قياس طول الموجة ، وهي المسافة بين النقاط المتتالية للموجة. يتم قياس الموجة الواحدة من نقطتين متتاليتين ، مثل من القمة إلى القمة أو من القاع إلى القاع (الشكل).

الطول الموجي لموجة واحدة هو المسافة بين نقطتين متتاليتين من نفس الموقع (قمتان أو قاعان) على طول الموجة.

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.

تبعث الشمس الطاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي. يوجد هذا الإشعاع بأطوال موجية مختلفة ، لكل منها طاقتها المميزة. تتميز جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية ، بما في ذلك الضوء المرئي ، بطول موجتها.

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 قدر أكبر 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 ، مما يفسر سبب كون كل من الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية ضارة بالكائنات الحية.


المقدمة والأهداف

غالبية الحياة على الأرض لا يمكن أن توجد بدونها البناء الضوئي. تذكر من البرنامج التعليمي الخاص بالديناميكا الحرارية أنه خلال عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. على وجه التحديد ، إنها العملية التي بموجبها تستخدم النباتات والطلائعيات وبعض البكتيريا الضوء والماء وثاني أكسيد الكربون لصنع السكريات. إن التمثيل الضوئي ليس هو عكس التنفس الخلوي تمامًا ، ولكنه عملية منفصلة يحدث أنها تحتوي على العديد من الميزات المتشابهة (على سبيل المثال ، سلسلة نقل الإلكترون).


يمكن تقسيم التمثيل الضوئي إلى جزأين: تفاعلات الضوء وردود الفعل المستقلة عن الضوء (يشار إليها أيضًا باسم ردود الفعل & quotdark & ​​quot). سيغطي هذا البرنامج التعليمي ردود الفعل الخفيفة. يحدث هذا عندما تتحول الطاقة الضوئية إلى طاقة يمكن أن تستخدمها الخلايا. سيغطي البرنامج التعليمي التالي ردود الفعل المستقلة عن الضوء ، أي عندما يتم صنع السكر بالفعل.
بنهاية هذا البرنامج التعليمي ، يجب أن يكون لديك فهم لما يلي:

  • متطلبات النباتات لعملية التمثيل الضوئي والتنفس
  • ردود الفعل الخفيفة لعملية التمثيل الضوئي
  • خصائص الضوء
  • توجيه الطاقة الضوئية
  • سلاسل نقل الإلكترون ونظام Z.
  • جيل ATP.

يحدث التمثيل الضوئي على أغشية الثايلاكويد

تحد البلاستيدات الخضراء غشاءان لا يحتويان على الكلوروفيل ولا يشاركان مباشرة في عملية التمثيل الضوئي (الشكل 16-34). من بين هذين الغشاءين ، يكون الغشاء الخارجي ، مثل غشاء الميتوكوندريا الخارجي ، منفذًا للأيضات ذات الوزن الجزيئي الصغير ، ويحتوي على بروتينات تشكل قنوات مائية كبيرة جدًا. الغشاء الداخلي ، على العكس من ذلك ، هو حاجز النفاذية للبلاستيدات الخضراء التي تحتوي على ناقلات تنظم حركة المستقلبات داخل وخارج العضية.

الشكل 16-34

هيكل الورقة والبلاستيدات الخضراء. يحد البلاستيدات الخضراء بغشاء مزدوج: يحتوي الغشاء الخارجي على بروتينات تجعله منفذاً للجزيئات الصغيرة (MW & # x02005 & # x0003c & # x020056000) يشكل الغشاء الداخلي حاجز النفاذية (المزيد).

على عكس الميتوكوندريا ، تحتوي البلاستيدات الخضراء على غشاء ثالث & # x02005 & # x02014 & # x02005 غشاء ثايلاكويد & # x02005 & # x02014 & # x02005 وهو موقع التمثيل الضوئي. في كل بلاستيدات خضراء ، يُعتقد أن غشاء الثايلاكويد يشكل صفيحة مفردة مترابطة تشكل العديد من الحويصلات الصغيرة المسطحة ، الثايلاكويدات ، والتي عادة ما يتم ترتيبها في مجموعات تسمى جرانا (انظر الشكل 16-34). تشكل الفراغات داخل جميع الثايلاكويدات مقصورة واحدة مستمرة ، و تجويف الثايلاكويد. يحتوي غشاء الثايلاكويد على عدد من بروتينات الغشاء المتكاملة التي ترتبط بعدة مجموعات صناعية مهمة وأصباغ ماصة للضوء ، وأبرزها الكلوروفيل. يحدث تخليق الكربوهيدرات في سدى المرحلة القابلة للذوبان بين غشاء الثايلاكويد والغشاء الداخلي. في بكتيريا التمثيل الضوئي ، تشكل الغزوات الواسعة لغشاء البلازما مجموعة من الأغشية الداخلية ، والتي يطلق عليها أيضًا أغشية الثايلاكويد أو ببساطة ثايلاكويدات ، حيث يحدث التمثيل الضوئي.


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)


علم الأحياء 171

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 للإنسان أن يرى فقط جزءًا صغيرًا 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 قدر أكبر 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 والنباتات 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 الموجودة في أرض الغابة المطيرة قادرة على امتصاص أي جزء من الضوء 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. من خلال 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 للطاقة: 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 لها جميعًا الشحنة الكهربائية نفسها ، مما يؤدي إلى صد بعضها البعض.

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.

اعرض التركيب الضوئي: تفاعلات الضوء (رسوم فلاش المتحركة) لمعرفة المزيد حول عملية التمثيل الضوئي داخل الورقة.

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 الأول فوتونًا ثانيًا ، مما يؤدي إلى تكوين جزيء NADPH ، وطاقة أخرى وتقليل الناقل للتفاعلات المستقلة عن الضوء.

اتصالات فنية

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


أصباغ في النباتات

"مواد لها القدرة على امتصاص ضوء بطول موجي معين وإنتاج لون".

أهمية:

يتم امتصاص الضوء بواسطة الأصباغ الموجودة داخل البلاستيدات الخضراء للخلايا النباتية التي تنشط الإلكترونات وترفعها إلى مستوى طاقة أعلى. إنها الطاقة المستخدمة لإنتاج ATP ولتقليله NADP إلى نادف. ثم يتم استخدام إطلاق الطاقة من ATP وأكسدة NADPH لدمج ثاني أكسيد الكربون في الجزيئات العضوية.

الأنواع:

هناك الأصباغ التالية التي تساعد في عملية التمثيل الضوئي وإنتاج الألوان:

  • الكلوروفيل
  • الكاروتينات
  • فيكوبيلين
الكلوروفيل:

الكلوروفيل هو أي من العديد من الأخضر ذات الصلة أصباغ وجدت في البكتيريا الزرقاء والبلاستيدات الخضراء من الطحالب والنباتات. اسمها مشتق من الكلمات اليونانية chloros (& # 8220green & # 8221) و phyllon (& # 8220leaf & # 8221). "

الخصائص الفيزيائية:
  • هو الصباغ الأساسي في النبات ، وهو عبارة عن كلور يمتص الأطوال الموجية الصفراء والزرقاء للضوء بينما يعكس اللون الأخضر
  • تم العثور على الكلوروفيل في أكياس الثايلاكويد البلاستيدات الخضراء. ال البلاستيدات الخضراء هو جزء متخصص من الخلية يعمل كعضية.
  • بمجرد أن يمتص الكلوروفيل الأطوال الموجية المناسبة من الضوء في أكياس الثايلاكويد ، فإن العملية المهمة البناء الضوئي قادر على البدء.
  • هم قابل للذوبان في الدهون.
  • تصنيف وتوزيع الكلوروفيل:
  • يوجد الكلوروفينول في جميع النباتات الخضراء بما في ذلك الطحالب.
  • الكلوروفيل ب الموجود في النباتات العليا وبعض الطحالب مثل كلوروفيسيا ، يوجلينوفيسيا وكاروفيسيا.
  • تم العثور على Chl c في نباتات الأوعية الدموية السفلية مثل الطحالب و bacillariophyta ، phaephyta.
  • وجدت Chl d في الطحالب الحمراء.
  • Chl e نادر موجود في بعض الطحالب الذهبية

الشكل: الكلوروفيل

الطبيعة الجزيئية:

هناك عدة أنواع من الكلوروفيل ، ولكن جميعها تشترك في ليجند الكلور والمغنيسيوم الذي يشكل الجانب الأيمن من الرسم البياني ، ويتكون الجزيء من 4_porphyrin ring كرأس و phytole كذيل.

هذا جزيء مستقر على شكل حلقة يمكن للإلكترونات أن تهاجر حوله. نظرًا لأن الإلكترونات تتحرك بحرية ، فإن الحلقة لديها القدرة على اكتساب أو فقدان الإلكترونات بسهولة ، وبالتالي القدرة على توفير إلكترونات نشطة للجزيئات الأخرى. هذه هي العملية الأساسية التي من خلالها يلتقط الكلوروفيل & # 8220 & # 8221 طاقة ضوء الشمس.

الطبيعة الكيميائية:

يتكون الكلوروفيل كيميائيًا من C ، H ، O مع Mg كذرة مركزية.

الكلوروفيل أ: ج55ح72ا5ن4ملغ (CH3) ، المجموعة الخاصة هي الميثيل

الكلوروفيل ب: ج55ح70ا6ن4Mg (CHO) ، المجموعة الخاصة هي الألدهيد

التخليق الحيوي للكلوروفىليرة لبنانية:

يتفاعل كل من Succinyl-coA و glycine لتكوين منتج وسيط δ-Aminolevulinic acid 2 جزيئات من δ-Aminolevulinic acid تتفاعل مع بعضها البعض لإعطاء البورفوبيلينوجين 4 جزيئات من فتيل البورفوبيلينوجين لإعطاء protochlorophyll ثم يتفاعل protochlorophyll مع 2H لتخليق الكلوروفيل ضوء الشمس.

جزيئين من حمض أمينيولينيك δ - & # 8212 & # 8212 & # 8212 & # 8212 & # 8212 - & gtPorphobilinogen

4 جزيئات من البورفوبيلينوجين - & # 8212 & # 8212 & # 8212 & # 8212 & # 8212 - & gtprotochlorophyll

بروتوكلوروفيل + 2 H & # 8212 & # 8212 & # 8212 –– (ضوء الشمس) – & # 8212- & gt الكلوروفيل

الكاروتينات:

”الكاروتينات هي أصباغ تذوب في الدهون وجزيئات مقترنة بسلسلة مفتوحة موجودة في جميع أنحاء الطبيعة "

حادثة:

توجد بشكل أساسي في النباتات والطحالب وبكتيريا التمثيل الضوئي ، حيث تلعب دورًا مهمًا في عملية التمثيل الضوئي. تحدث أيضًا في بعض البكتيريا والخمائر والقوالب غير القابلة للضوء ، حيث يمكنها القيام بوظيفة وقائية ضد التلف الناتج عن الضوء والأكسجين.

الكاروتينات هي المسؤولة عن العديد من درجات اللون الأحمر والبرتقالي والأصفر لأوراق النبات والفواكه والزهور ، وكذلك ألوان بعض الطيور والحشرات والأسماك والقشريات.

تصنيف:

تصنف الكاروتينات وفقًا للهيكل على النحو التالي:

1- الكاروتينات الهيدروكربونية معروفة بـ الكاروتين مثال ألفا كاروتين ، Βeta-carotene إلخ.

  • الصيغة العامة: C40ح56
  • عرض نظام الصور 1
  • اللون: برتقالي

الشكل: بيتا كاروتين

2. الكاروتينات المؤكسجة وهي مشتقات من هذه الهيدروكربونات المعروفة باسم الزانثوفيل ومن أمثلة هذه المركبات زياكسانثين ولوتين.

  • إظهار نظام الصور 2
  • الصيغة: ج40ح56ا2
  • اللون الأصفر

الشكل: زياكسانثين

وظيفة:

تعتبر الكاروتينات ضرورية للحياة النباتية ، حيث توفر وظائف حماية ضوئية مهمة أثناء حصاد ضوء البناء الضوئي والوقاية من أضرار الأكسدة الضوئية ، وتعمل كسلائف للتخليق الحيوي لحمض الهورمونات النباتية (ABA). لديهم دور في جذب الملقحات.

PHYCOBILINS:

"مجموعة من أصباغ التمثيل الضوئي القابلة للذوبان في الماء باللون الأحمر أو الأزرق" وهي عبارة عن مركبات رباعي البيرولات مفتوحة السلسلة. تعتبر مركبات الفيكوبيلين فعالة بشكل خاص في امتصاص الضوء الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر ، وهي أطوال موجية لا يمتصها الكلوروفيل جيدًا أ.

تميل الكائنات الحية التي تنمو في المياه الضحلة إلى احتواء phycobilins التي يمكنها التقاط الضوء الأصفر / الأحمر ، بينما تحتوي الكائنات الموجودة على عمق أكبر غالبًا على المزيد من phycobilins التي يمكنها التقاط الضوء الأخضر ، وهو أكثر وفرة نسبيًا هناك ، وهناك ثلاثة أنواع من phycobilins:

  • فيكويريثرين:يمتص Phycoerythrin الضوء الأخضر والأصفر والأزرق وينقل الضوء الأحمر ويوجد في الطحالب الحمراء.
  • فيكوسيانين:فيكوسيانين هو مركب بروتيني صبغي من فصيلة phycobiliprotein التي تحصد الضوء. تم العثور على Phycocyanins في البكتيريا الزرقاء.
  • ألوفيكوسيانين:الألوفيكوسيانين (APC) هو بروتين بيلي شحمي شديد اللمعان معزول عن الطحالب الحمراء التي تظهر مضانًا أحمر بعيدًا مع غلات كمومية عالية. إنه متحمس بخطوط الليزر عند 594 و 633 نانومتر ، مع أقصى امتصاص عند 650 نانومتر وذروة انبعاث مضان عند 660 نانومتر.
موقع phycobilins:

توجد خارج غشاء الثايلاكويد في أجسام صغيرة تسمى phycobilisomes.


وظائف الكلوروفيل

الكلوروفيل في التخليق الحيوي للسكريات

تستخدم النباتات كلا الشكلين من الكلوروفيل لتجميع الطاقة من الضوء. يتركز الكلوروفيل في أغشية الثايلاكويد للبلاستيدات الخضراء. البلاستيدات الخضراء هي العضيات التي يحدث فيها التمثيل الضوئي. الثايلاكويدات عبارة عن أكياس صغيرة من الغشاء ، مكدسة فوق بعضها البعض. توجد في هذه الأغشية مجموعة متنوعة من البروتينات التي تحيط بالكلوروفيل. تعمل هذه البروتينات معًا لنقل الطاقة من الضوء ، من خلال الكلوروفيل ، إلى روابط ATP - جزيء نقل الطاقة للخلايا. يمكن بعد ذلك استخدام ATP في دورة Calvin ، أو الدورة المظلمة ، لإنتاج السكريات.

تُعرف سلسلة البروتينات التي تنقل الطاقة من الضوء وتوجهها إلى تركيب السكريات بالنظم الضوئية. تُعرف العملية بأكملها ، كل من دورات الضوء والظلام معًا ، بالبناء الضوئي ، وتحدث في النباتات والطحالب وبعض البكتيريا. تمتص هذه الكائنات الحية ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، ماء (H2س) وأشعة الشمس لإنتاج الجلوكوز. يمكنهم استخدام هذا الجلوكوز في عملية التنفس الخلوي لإنشاء ATP ، أو يمكنهم دمج الجلوكوز في جزيئات أكثر تعقيدًا ليتم تخزينها.

الكلوروفيل في إنتاج الأكسجين

منتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي هو الأكسجين. يمكن للنباتات استخدام هذا الأكسجين في التنفس الخلوي ، لكنها تطلق أيضًا الأكسجين الزائد في الهواء. يسمح هذا الأكسجين للعديد من غير النباتات بالخضوع للتنفس أيضًا ، وبالتالي دعم الحياة على الأرض. يتم إنتاج الأكسجين في الجزء الأول من الدورة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي. تقوم النباتات بتقسيم جزيئات الماء لإنتاج الإلكترونات وأيونات الهيدروجين والأكسجين ثنائي الذرة (O2). تزود الإلكترونات سلسلة نقل الإلكترون التي تحرك إنتاج ATP. يتم إطلاق الأكسجين في الهواء. بهذه الطريقة ، يتم إنتاج كل الأكسجين الذي نتنفسه.


الطاقة الضوئية والأصباغ * # - علم الأحياء

قسم الأحياء
كلية ديكنسون ، كارلايل ، بنسلفانيا 17013
[email protected]

يعتمد عمل النظام البيئي للأرض على المدخلات المستمرة للطاقة الضوئية في شكل فوتونات قادمة من الشمس. تسمى العملية التي يتم من خلالها التقاط الطاقة الضوئية ودمجها في الجزيئات التي يمكن أن تستخدمها الكائنات الحية بعملية التمثيل الضوئي. يحدث في النباتات الخضراء والطحالب وبعض أنواع البكتيريا. يمكن تصنيف الكائنات الحية في فئتين رئيسيتين: ذاتية التغذية ، والتي تستمر في التمثيل الضوئي وتصنع طعامها ، والكائنات غيرية التغذية ، التي لا تقوم بعملية التمثيل الضوئي بنفسها ولكن يجب أن تستهلك الكائنات الذاتية التغذية أو الكائنات الحية الأخرى التي تأكل ذاتية التغذية. بعبارة أخرى ، الكائنات الحية الضوئية هي أساس السلسلة الغذائية ، ومع استثناءات قليلة جدًا ، تعتمد جميع الكائنات الحية على الأرض على التمثيل الضوئي كمصدر للغذاء والطاقة.

على الرغم من أن التمثيل الضوئي عملية معقدة للغاية ، إلا أنه يمكن تقسيمها إلى جزأين. في الجزء الأول ، يتم التقاط الطاقة الضوئية واستخدامها لصنع جزيئات كيميائية عالية الطاقة. في الجزء الثاني ، تُستخدم هذه الجزيئات عالية الطاقة لتحويل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (CO 2) إلى كربوهيدرات ومركبات أخرى تحتوي على طاقة. ثم تعمل هذه كغذاء لنبات التمثيل الضوئي نفسه أو للحيوان الذي يأكل النبات. خلال هذه العملية ، تنفصل جزيئات الماء (H 2 O) ويتم إطلاق الأكسجين منها في الغلاف الجوي كغاز أكسجين (O 2). يعد هذا نتيجة ثانوية مهمة لعملية التمثيل الضوئي لأن معظم الكائنات الحية قد طورت طرقًا لاستخدام O 2 لمساعدتها على معالجة الأطعمة بشكل أكثر كفاءة. ينتقل بعض O 2 أيضًا إلى الغلاف الجوي العلوي حيث يشكل الأوزون (O 3) ، وهو أمر مهم في حماية سطح الأرض من الأشعة فوق البنفسجية.

سنقوم الآن بفحص هذه الجوانب وغيرها من عملية التمثيل الضوئي بمزيد من التفصيل.


التقاط الطاقة الضوئية وتكوين جزيئات عالية الطاقة

يشار أحيانًا إلى هذا الجزء الأول من عملية التمثيل الضوئي ببساطة باسم "تفاعلات الضوء". إنها في جوهرها عملية تحويل للطاقة ، أي تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. ستستند هذه المناقشة إلى الطريقة التي يُعتقد أن العملية تعمل بها في النباتات العليا ، على الرغم من أن الآليات الأساسية متشابهة عمومًا في الأنواع الأخرى من الكائنات الحية.


أصباغ التمثيل الضوئي وهيكل الورقة

يخبرنا القانون الأول للكيمياء الضوئية والبيولوجيا الضوئية أنه لكي يكون للضوء تأثير في النظام البيولوجي ، يجب أولاً امتصاصه. الأصباغ هي جزيئات متخصصة في امتصاص الضوء ، ولذلك يجب أن توجد في جميع الكائنات الحية الضوئية. هناك فئتان رئيسيتان من أصباغ التمثيل الضوئي التي تحدث في النباتات العليا هما الكلوروفيل والكاروتينات.

تتكون الكلوروفيل من حلقة بورفيرين ماصة للضوء مع ذرة مغنيسيوم في المركز وذيل فيتول طويل يثبت الجزيء في الغشاء (الشكل 1). تمتص الضوء في الأجزاء الزرقاء والحمراء من الطيف ، لكن الأطوال الموجية الخضراء تنتقل أو تنعكس. هذا ما يجعل الأوراق تظهر باللون الأخضر. يحدث كل من الكلوروفيل أ و ب في النباتات العليا. لديهم اختلافات طفيفة في أطياف الهيكل والامتصاص. البروتوكلوروفيل هو سلائف تخليق حيوي للكلوروفيل.

يشار إلى الكاروتينات والأصباغ الأخرى التي لا تحتوي على الكلوروفيل التي تشارك في عملية التمثيل الضوئي على أنها أصباغ ملحقة. تختلف هياكلها وخصائصها باختلاف الأنواع (الشكل 2).

توجد أصباغ التمثيل الضوئي في أغشية العضيات تحت الخلوية التي تسمى البلاستيدات الخضراء (الشكل 3) ، والتي توجد داخل الخلايا الورقية. ترتبط مساحات الهواء الداخلية للورقة بالجو الخارجي من خلال مسام صغيرة تسمى الثغور ، والتي تسمح بالحركة الداخلية لثاني أكسيد الكربون وحركة O 2 إلى الخارج. الغشاء المزدوج المحيط بالبلاستيدات الخضراء منفذ للجزيئات الصغيرة غير المشحونة مثل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين ، مما يسمح بتبادل هذه الغازات أثناء عملية التمثيل الضوئي.

يشار إلى الأغشية المحتوية على الصباغ داخل البلاستيدات الخضراء باسم ثايلاكويدات ، ويتم ترتيبها في مجموعات تسمى جرانا ، والتي تشبه بشكل لافت للنظر ترتيب الأقراص في الخلايا المستقبلة للضوء لشبكية الفقاريات. يبدو أن هذا الترتيب للأغشية المكدسة قد تطور بشكل مستقل عدة مرات كنظام فعال للغاية لاعتراض الطاقة الضوئية والتقاطها. جزيئات الكلوروفيل والكاروتين في أغشية الثايلاكويد ليست حرة ، ولكنها موجودة في شكل معقدات بروتينية صبغية ، يشار إليها أحيانًا باسم "مجمعات حصاد الضوء". تحافظ هذه البروتينات على الأصباغ في الاتجاه الصحيح لنقل الطاقة بكفاءة ، وأيضًا إحداث تغييرات طفيفة في الأطوال الموجية للضوء التي يمكن أن تمتصها.

تسمى المنطقة غير الغشائية داخل البلاستيدات الخضراء بالسدى. يحتوي على محلول مائي من الإنزيمات ومستقلبات مختلفة تشارك في اختزال ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات عبر دورة كالفين ، كما هو موضح أدناه.

امتصاص الفوتونات ونقل الطاقة

عندما يتعرض النبات للضوء ، فإن الفوتونات ذات الطول الموجي المناسب ستضرب وستمتص بواسطة مجمعات البروتين الصباغ المنتظمة على أغشية الثايلاكويد. عندما يحدث هذا ، يتم نقل طاقة الفوتون إلى جزيء الصباغ ، مما يتسبب في انتقال الصبغة إلى حالة الإثارة الإلكترونية. بعبارة أخرى ، الطاقة المرتبطة أصلاً بالفوتون موجودة الآن في جزيء الصباغ. بمجرد أن ينتقل جزيء الصباغ إلى حالة الإثارة ، فمن الممكن أن تنتقل طاقة الإثارة إلى جزيء الصباغ المجاور.

تنتشر بين معقدات البروتين الصباغ على أغشية الثايلاكويد هياكل خاصة تسمى مراكز التفاعل. وهي أقل عددًا من مجمعات حصاد الضوء ، وتتكون من البروتينات والكلوروفيل والعديد من الأصباغ الأخرى بترتيب عالي التنظيم. سيتم وصف هذا لاحقًا في وحدة مفصلة. يوجد نوعان من مراكز التفاعل ، يسمى نظام الصور الأول (PSI أو P700) ونظام الصور الثاني (PSII أو P680).

تعمل مجموعة مجمعات البروتين الصباغ على أغشية الثايلاكويد كهوائي لتجميع الطاقة الضوئية. يتم نقل طاقة الإثارة من كلوروفيل إلى آخر حتى تصل الطاقة إلى مركز تفاعل (الشكل 4). يؤدي هذا إلى دخول أحد جزيئات الكلوروفيل داخل مركز التفاعل إلى حالة الإثارة.

تكوين مركبات كيميائية عالية الطاقة

يتم تكوين نوعين من الجزيئات المحتوية على الطاقة في تفاعلات الضوء لعملية التمثيل الضوئي: أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) و نيكوتيناميد فوسفات الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADPH) ، والذي يعمل كمصدر لتقليل الطاقة.

ترتبط مراكز تفاعل PSI و PSII بسلسلة من المركبات التي تعمل كناقلات إلكترون (الشكل 5). يدخل إلكترون متحمس في مركز تفاعل PSII هذه السلسلة من الحاملات ويتحرك من واحد إلى التالي حتى يصل إلى مركز تفاعل PSI. ينتج عن نقل الإلكترون هذا بين نوعي مراكز التفاعل ضخ أيونات الهيدروجين (H +) عبر غشاء الثايلاكويد ، وبالتالي تكوين تدرج مع تركيز H + مرتفع داخل مقصورات الثايلاكويد وتركيز منخفض نسبيًا على السدى. الجانب. ثم يتم استخدام الطاقة الكامنة المرتبطة بهذا التدرج لتشكيل ATP بواسطة آلية مماثلة لتلك التي يتم من خلالها توليد ATP في الميتوكوندريا.

تتمثل الخطوة التالية في العملية في نقل إلكترون متحمس في PSI إلى جزيء NADP ، جنبًا إلى جنب مع H + ، وبالتالي تقليله إلى NADPH. لاحظ أن الإلكترونات التي تغادر PSI يتم استبدالها بإلكترونات جاءت من خلال ناقلات الإلكترون من PSII.

أخيرًا ، لكي تستمر هذه العملية ، يجب استبدال الإلكترونات التي تمت إزالتها من PSII. يتم تحقيق ذلك عن طريق انقسام جزيء H 2 O ، والذي ينتج عنه الإلكترونات ، H + ، والأكسجين. يشكل الأكسجين من جزيئين من الماء O 2 ، والذي يمر بعد ذلك عبر الثغور إلى الغلاف الجوي.

باختصار ، ما تم تحقيقه هو تحويل طاقة الفوتون إلى طاقة كيميائية على شكل ATP و NADPH ، مع التكوين المصاحب لـ O 2.


تقليل نسبة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى الكربوهيدرات

تتضمن المرحلة الرئيسية الثانية من عملية التمثيل الضوئي تحويل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي إلى كربوهيدرات وجزيئات بيولوجية أخرى. يشار إلى هذه المجموعة من التفاعلات أحيانًا باسم "ردود الفعل المظلمة" لعملية التمثيل الضوئي لأن الضوء ليس متورطًا بشكل مباشر. ومع ذلك ، فإن هذا المصطلح مضلل إلى حد ما لأن الضوء مطلوب لتشكيل ATP و NADPH اللازمين للطاقة وتقليل الطاقة. إذا تم وضع نبات التمثيل الضوئي فجأة في الظلام ، فإن التفاعلات المظلمة المزعومة ستستمر فقط حتى يتم استنفاد مخزون ATP و NADPH.

يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات في سدى البلاستيدات الخضراء ويتبع مسارًا استقلابيًا معقدًا يسمى دورة كالفين أو مسار الفوسفات الخماسي الاختزالي ، حيث يتم تحفيز كل خطوة منها بواسطة إنزيم معين. سيتم التعامل مع تفاصيل هذا المسار في وحدة نمطية أخرى ، ولكن يظهر شكله العام في الشكل 6. يتحد ثاني أكسيد الكربون أولاً مع مركب كربوني خمسة يسمى ريبولوز -1،5-بيسفوسفات (RUBP) ، والذي ينقسم على الفور إلى قسمين ثلاثة مركبات كربون. باستخدام الطاقة وتقليل الطاقة من ATP و NADPH ، يتم تحويلها إلى 3-فوسفوجلايسيرالديهيد (3PGAL) ، والتي يمكن أن يستخدمها المصنع لتصنيع الكربوهيدرات والعديد من الجزيئات البيولوجية الأخرى وتجديد RUBP.

لكي تستمر دورة كالفن ، يجب أن يكون هناك إمداد مستمر بـ RUBP. وبالتالي ، لا يمكن استخدام جميع 3PGAL المنتج في تخليق الكربوهيدرات - يجب استخدام جزء كبير (حوالي 5 جزيئات من 6) لصنع RUBP طازج. هذا يتطلب أيضًا ATP قادمًا من تفاعلات الضوء ، وهو ما يعطي المسار طبيعته الدورية.

باختصار ، يتم استخدام ATP و NADPH المتكونين في تفاعلات الضوء لعملية التمثيل الضوئي لتحويل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى كربوهيدرات ، والتي تمثل شكلاً مستقرًا وطويل الأمد من تخزين الطاقة. بشكل عام ، الطاقة التي نشأت كفوتونات من الشمس موجودة الآن في الكربوهيدرات والجزيئات الأخرى التي تعمل كغذاء للنبات أو للحيوان الذي يأكل النبات.


الجوانب البيئية لعملية التمثيل الضوئي

نظرًا للأهمية البيولوجية الأساسية لعملية التمثيل الضوئي وأهميتها في الإنتاجية الزراعية ، فقد تم توجيه قدر كبير من الأبحاث نحو فهم التأثيرات التي تحدثها العوامل البيئية مثل الضوء ودرجة الحرارة وهطول الأمطار والملوحة والأمراض على العملية. في السنوات الأخيرة ، حظيت تأثيرات ارتفاع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وزيادة التعرض للأشعة فوق البنفسجية بسبب استنفاد طبقة الأوزون على الأرض باهتمام كبير. تعد إمكانية الغابات والنظم الإيكولوجية الأخرى للتمثيل الضوئي للتخفيف من زيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أيضًا مجالًا نشطًا للبحث.

تختلف الأنواع المختلفة ، وفي بعض الحالات حتى الأصناف المختلفة من نفس النوع ، بشكل كبير في قدرتها على تحمل العديد من الضغوط البيئية التي قد يواجهها نبات التمثيل الضوئي. يمكن فهم التوزيع الجغرافي الطبيعي لأنواع النباتات من حيث قدرتها على التمثيل الضوئي بكفاءة في ظل مجموعة من الظروف التي يواجهونها في النظم البيئية المختلفة للأرض. وبالمثل ، تتحكم العوامل البيئية في النطاق الذي يمكن من خلاله إدخال محاصيل زراعية معينة وزراعتها بنجاح.

يتم استخدام كل من طرق تربية النباتات التقليدية وتقنيات البيولوجيا الجزيئية الحديثة لإنتاج نباتات يمكنها الحفاظ على قوتها والحفاظ على معدلات عالية من التمثيل الضوئي عند تعرضها لضغط بيئي. لقد كانت هذه الأساليب ناجحة للغاية في الماضي وتعد بمزيد من زيادة إنتاجية المحاصيل وتقليل الحاجة إلى الأسمدة ومبيدات الأعشاب ومبيدات الحشرات. سيتم التعامل مع هذه الموضوعات بمزيد من التفصيل في وحدة أخرى.

بلانكينشيب ، ر. إي. 2002. الآليات الجزيئية لعملية التمثيل الضوئي. دار نشر بلاكويل للعلوم ، أكسفورد ، المملكة المتحدة ، مالدن ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية.

يانسون ، ج. 1994. الكلوروفيل أ / ب البروتينات الملزمة لحصاد الضوء. Biochimica Biophysica Acta ، 1184: 1919.

Long ، S. P. ، E.Ainsworth ، A. Rogers ، و D.R Ort. 2004. ارتفاع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي: النباتات تواجه المستقبل. المراجعة السنوية لبيولوجيا النبات ، 55: 591-628.

نيلسون ، إن ، وسي إف يوكوم. 2006. هيكل ووظيفة أنظمة الصور الأول والثاني. المراجعة السنوية لبيولوجيا النبات ، 57: 521-565.

راجافيندرا ، أ.س ، أد. 1998. التمثيل الضوئي: دراسة شاملة. مطبعة جامعة كامبريدج ، كامبريدج ، المملكة المتحدة ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية.

رافين ، بي إتش ، جي بي جونسون ، جيه لوسوس ، إس سينجر. 2005. علم الأحياء ، 7. إد. ماكجرو هيل ، نيويورك.

Szalai ، V.A and GW Brudvig. 1998. كيف تنتج النباتات الديوكسجين. عالم أمريكي ، 86: 542-551.

تعز ، ل. وإي زايجر. 2006. فسيولوجيا النبات ، 4. إد. سيناور أسوشيتس ، سندرلاند ، ماساتشوستس.

وايلد ، أ و ر. بول. 1997. وحدة التمثيل الضوئي وأنظمة الصور: تاريخ البحث والعرض الحالي. Backhuys للنشر ، ليدن.


ملخص القسم

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.


شاهد الفيديو: امتصاص الطاقة الضوئية. ثاني عشر (قد 2022).


تعليقات:

  1. Isreal

    لا يمكن أن يكون أفضل

  2. Shaktitaxe

    وهذا التناظرية؟

  3. Wynchell

    أنا آسف ، أنني أتدخل ، لكنني أقترح أن أذهب إلى آخر.

  4. Alexandru

    أهنئ ، الفكرة الرائعة



اكتب رسالة