فتوسنتز چیست؟

به تبدیل انرژی نور خورشید به انرژی شیمیایی از طریق بافت‌های زنده فتوسنتز (Photosynthesis) گفته می‌شود. در بیشتر موارد، مواد خام مورد نیاز چنین فرایندی آب و دی‌اکسید کربن به شمار می‌رود؛ همچنین منبع اولیه انرژی، نور خورشید و محصول نهایی اکسیژن و کربوهیدرات ها (برای مثال نشاسته و قند) هستند.

البته چند دسته از باکتری‌ها هستند که در فتوسنتز آن‌ها، اکسیژن تولید نمی‌شود. فتوسنتز، مسلما مهم‌ترین واکنش بیوشیمیایی است، زیرا تقریبا تمام حیات به آن وابسته است. این فرآیند پیچیده در گیاهان اساسی، فیتوپلانگتون‌ها (phytoplankton)، جلبک‌ها و حتی باکتری‌هایی مانند ساینو باکتری (cyanobacteria) رخ می‌دهد. بافت‌های فتوسنتزی نیز به عنوان فتواتوتروف (photoautotroph) شناخته می‌شوند، زیرا غذا را به طور مستقیم از ترکیبات معدنی با انرژی نور تولید می‌کنند. در گیاهان سبزرنگ و جلبک‌ها ، فتوسنتز در بخش‌های سلولی خاص به نام کلرورپلاست (chloroplast) رخ می‌دهد. در باکتری‌های فتوسنتز، که فاقد بخش‌های ترکیبات غشایی هستند، واکنش‌ها به طور مستقیم در سلول انجام میشود.

بررسی واکنش ها:

در اصطلاح شیمیایی، فتوسنتز نمونه‌ای از فرآیند اکسایش – کاهش (oxidation-reduction) است. در گیاهان، فتوسنتز از انرژی نور برای اکسیداسیون آب (به عنوان مثال حذف الکترون‌ها) برای تولید اکسیژن مولکولی، یون های هیدروژنی والکترون ها استفاده می‌کند. بیشتر یون های هیدروژن و الکترون‌ها به دی‌اکسید کربن تبدیل می‌شوند تا (به عنوان مثال، الکترون‌ها را جذب می‌کند) به محصولات ارگانیک تبدیل شوند.

به طور خاص، دی‌اکسید کربن به منظور تولید فسفات سه‌گانه (G3P) کاهش می‌یابد که به طور کلی محصول اصلی فتوسنتز محسوب می‌شود. همچنین این ماده می‌تواند به عنوان ماده مغذی مورد استفاده قرار گیرد یا واسطه‌ی تولید تولید قندهای مونو ساکارید (monosaccharide)، مانند گلوکز (glucose) باشد. گلوکز نیز می‌تواند به سایر سلول‌ها منتقل شود یا برای ذخیره‌سازی به عنوان یک پلی ساکارید (polysaccharide) نامحلول مانند نشاسته بسته‌بندی گردد.

معادله شیمیایی کلی فتوسنتز:

$CO_{2}{(g)} + 2H_{2}0(l)+photons \longrightarrow CH_{2}O(aq)+H_{2}O+O_{2}(g)$

که در آن CH₂O بیانگر فرمول عمومی کربوهیدرات است.

فرمول کلی‌تر فتوسنتز که اکسیژن در آن تولید نمی‌شود عبارت است از:

$CO_{2}{(g)} + 2H_{2}A+photons \longrightarrow CH_{2}O+H_{2}O+2A$

که در آن H₂A به عنوان الکترون دهنده عمل می‌کند. ممکن است آب یا چیزی مانند H₂S باشد. از این دست فتوسنتز می‌توان به «باکتری‌های گوگرد بنفش« (purple sulfur bacteria) که گوگرد را به نسبت بیشتر از اکسیژن تولید می‌کنند، اشاره کرد. توجه داشته باشید، منبع اکسیژن در حقیقت آب است و نه دی‌اکسید کربن.

محل اصلی فتوسنتز:

واکنش‌های فتوسنتز در قسمت‌های کوچک سلول به نام کلروپلاست‌ها رخ می‌دهد، که خودشان نیز از طریق غشاهای داخلی و خارجی به‌وسیله فضای بین غشایی به قسمت‌های کوچک‌تر تقسیم می‌شوند. فضای داخلی غشاء استروما (stroma) نامیده می‌شود. استروما با یک مایع غنی از آنزیم‌ها پر شده و واکنش‌های نوری فتوسنتز را پشتیبانی می‌کند که در داخل بسته‌های مسطح غشایی تالکوکید (thylakoids) رخ می‌دهد. بسته‌های تیلاکوئید، گرانا (grana) – و تک: گرانوم – نامیده می‌شوند.

مجموعه‌ای از شاخک‌های درهم‌تنیده (antenna complex) حاوی پروتئین ها و رنگ‌دانه‌های جذب کننده نور در غشای تیلاکوئید قرار دارد. گرچه گیاهان نور را عمدتا از طریق کلروفیل رنگ‌دانه (pigment chlorophyll) جذب می‌کنند، عملکرد جذب نور توسط دیگر رنگ‌دانه‌های جانبی مانند کاروتن (carotene) و زانتوفیلی (xanthophyll) نیز صورت می‌گیرد. هر دوی آن‌ها سطح را برای جذب نور افزایش و اجازه می‌دهند تا فوتون‌ها با طیف گسترده‌ای از طول‌موج‌ها جذب شوند.

فتوسنتز دومرحله ای:

فتوسنتز زمانی آغاز می‌گردد که نور توسط کلروفیل و رنگ‌دانه‌های جانبی جذب شود. تمام طول موج نورها باعث فتوسنتز نمی‌شوند. طیف عملیاتی فتوسنتز به نوع رنگ‌دانه‌های موجود بستگی دارد. به عنوان مثال، در گیاهان سبزرنگ، کلروفیل‌ها و کاروتنوئیدها (carotenoid) همه‌ی نور مرئی به غیر از سبز را جذب می‌کنند، که بیشترین جذب برای نورهای بنفش، آبی و قرمز است. در جلبک قرمز، طیف عملکردی با طیف جذبی فایکوبلین (phycobilin) برای نور آبی و سبز همپوشانی دارد که باعث می‌شوداین جلبک‌ها بتوانند در آب‌های عمیق‌تر (طول موج‌های بلند توسط گیاهان سبز رنگ فیلتر می‌شود) رشد کنند. بخش غیر جذبی طیف نور چیزی است رنگ‌ ارگانیسم‌های فتوسنتز را تعیین می‌‌کند (به عنوان مثال، گیاهان سبز رنگ، جلبک‌های قرمز، باکتری‌های بنفش) و حداقل طول موج مؤثر برای فتوسنتز در بافت‌های مربوطه است.

تحریک الکتریکی ناشی از جذب نور از یک مولکول کلروفیل عبور و به مولکول بعدی می‌رسد تا زمانی که توسط یک جفت کلروفیل با خواص مشخص به دام بیفتد. در اینجا، که به عنوان مرکز واکنش (reaction center) شناخته می‌شود، انرژی الکترون به انرژی شیمیایی تبدیل می‌گردد؛ به عنوان مثال، نور برای ایجاد یک پتانسیل کاهش یابنده (reducing potential) مورد استفاده قرار می‌گیرد. دو نوع واکنش نوری در این مراکز واکنش رخ می‌دهد که فتوسیستم (photosystems) نامیده می‌شوند:

1. فتوسیستم نوع اول: تولید توان کاهش یابنده به شکل NADPH در فرایندی با نام فتورداکشن (photoreduction)

2. فتوسیستم نوع دوم: الکترون‌های آب را به یک کوینون (quinone) (یک نوع ترکیب آروماتیک) انتقال می‌دهد چنانچه اکسیژن را از اکسیداسیون آب تولید می‌کند.

نحوه کار با شبیه ساز

در این شبیه ساز میتوانید چگونگی تولید اکسیژن و در واقع نحوه فتوسنتز را در یک گیاه بررسی کنید و میزان گاز های تولیدی و مصرفی آن را ر شرایط مختلف و نور های تابشی رنگی بسنجید و به شکل نمودار و جدول ثبت کنید وخروجی بگیرید.

سوالات:

درستی یا نادرستی هر یک از عبارت‌های زیر را بدون ذکر دلیل مشخص کنید:

1. در فتوسنتز، عامل تجزیه کننده‌ی مولکول آب، در مجاورت فتوسیستم ۱ قرار دارد. (درست/نادرست)
2. روزنه‌های گیاهان CAM برخلاف گیاهان C3 و C4 و در شب بسته می‌شود. (درست/نادرست)
3. در اثر فعالیتِ اکسیژنازی آنزیم روبیسکو، CO2 تولید می‌شود. [خرداد ۹۱] (درست/نادرست)
4. همه پروتئین‌ها، نوکلئیک اسیدها و دیگر مولکول‌هایی که در سلول هستند، حاصل تجمع و تغییر بخش‌هایی از قندهایی ساخته شده در گیاه هستند. [شهریور ۹۳] (درست/نادرست)
5. اکسیژن حاصل از فتوسنتز، از واکنش تجزیه آب در داخل تیلاکوئیدها منشأ می‌گیرد. [شهریور ۹۳] (درست/نادرست)
6. در گیاه C4، شب هنگام، دی‌اکسیدکربن در واکوئول‌های گیاه به صورت اسید آلی تثبیت می‌شود. [خرداد ۹۴] (درست/نادرست)
7. در فرآیند تنفس نوری ATP تولید می‌شود. [دی ۹۴] (درست/نادرست)
8. اولین ترکیب پایدار CO2 در گیاهان CAM یک ترکیب چهار کربنی می‌باشد. [خرداد ۹۵] (درست/نادرست)
9. تجزیه آب به منظور جبران الکترون‌های برانگیخته شده از فتوسیستم ۲ بدون نور انجام می‌شود. [شهریور ۹۶] (درست/نادرست)
10. دومین سیستم آنزیمی‌در گیاهان C3 برای تثبیت CO2 در سلول‌های غلاف آوندی عمل می‌کند. [دی ۹۶] (درست/نادرست)
11. در مرحله نوری فتوسنتز، اتم‌های هیدروژن حاصل از تجزیه آب، الکترون‌های خود را به فتوسیستم ۲ می‌دهند. [دی ۹۶] (درست/نادرست)
12. تثبیت کربن در گیاهان C4 در دو مرحله، ابتدا در یاخته‌های غلاف آوندی و سپس در یاخته‌های میانبرگ انجام می‌شود. [دی ۹۸] (درست/نادرست)
13. فتوسیستم‌ها در غشای تیلاکوئید قرار دارند و با مولکول‌هایی به نام ناقل الکترون به هم مرتبط می‌شوند. [شهریور ۹۸] (درست/نادرست)
14. بیشتر گیاهان برای تثبیت دی اکسید کربن فقط از چرخۀ کالوین استفاده می‌کنند. [دی ۹۸] (درست/نادرست)
15. هر فتوسیستم شامل آنتن گیرنده نور و یک مرکز واکنش است. [خرداد ۹۹] (درست/نادرست)
16. میانبرگ در بعضی گیاهان از یاخته‌های اسفنجی تشکیل شده است. [شهریور ۹۹] (درست/نادرست)
17. تجزیۀ نوری آب در فتوسیستم ۲، موجب تجمع پروتون‌ها در فضای درون تیلاکوئیدها می‌شود. [دی ۹۹] (درست/نادرست)