สิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกต้องการอาหารหรือพลังงานเพื่อความอยู่รอด สิ่งมีชีวิตบางชนิดกินสิ่งมีชีวิตอื่นในขณะที่สิ่งมีชีวิตบางชนิดสามารถสร้างสารอาหารได้เอง พวกมันผลิตอาหารกลูโคสในกระบวนการที่เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง
การสังเคราะห์แสงและการหายใจมีความเชื่อมโยงกัน ผลจากการสังเคราะห์ด้วยแสงคือกลูโคสซึ่งเก็บไว้เป็นพลังงานเคมีใน พลังงานเคมีที่เก็บไว้นี้มาจากการเปลี่ยนคาร์บอนอนินทรีย์ (คาร์บอนไดออกไซด์) เป็นคาร์บอนอินทรีย์ กระบวนการหายใจจะปล่อยพลังงานเคมีที่เก็บไว้
นอกจากอาหารที่ผลิตแล้วพืชยังต้องการคาร์บอนไฮโดรเจนและออกซิเจนเพื่อความอยู่รอด น้ำที่ดูดซึมจากดินให้ไฮโดรเจนและออกซิเจน ในระหว่างการสังเคราะห์แสงคาร์บอนและน้ำจะถูกใช้ในการสังเคราะห์อาหาร พืชยังต้องการไนเตรตเพื่อสร้างกรดอะมิโน (กรดอะมิโนเป็นส่วนประกอบในการผลิตโปรตีน) นอกจากนี้พวกเขาต้องการแมกนีเซียมเพื่อผลิตคลอโรฟิลล์
หมายเหตุ: สิ่งมีชีวิตที่ขึ้นอยู่กับอาหารอื่น ๆ เรียกว่า สัตว์กินพืชเช่นวัวและพืชกินแมลงเป็นตัวอย่างของ heterotrophs สิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารเองเรียกว่า. พืชสีเขียวและสาหร่ายเป็นตัวอย่างของ autotrophs
ในบทความนี้คุณจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์แสงที่เกิดขึ้นในพืชและเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับกระบวนการนี้
ความมุ่งมั่นของการสังเคราะห์ด้วยแสง
การสังเคราะห์แสงเป็นกระบวนการทางเคมีที่พืชบางชนิดและสาหร่ายผลิตกลูโคสและออกซิเจนจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำโดยใช้แสงเป็นแหล่งพลังงานเท่านั้น
กระบวนการนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับสิ่งมีชีวิตบนโลกเพราะต้องขอบคุณออกซิเจนที่ถูกปล่อยออกมาซึ่งทุกชีวิตขึ้นอยู่กับ
ทำไมพืชถึงต้องการน้ำตาลกลูโคส (อาหาร)?
เช่นเดียวกับมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ พืชก็ต้องการอาหารเพื่อให้มันมีชีวิตอยู่ ค่าของกลูโคสสำหรับพืชมีดังนี้:
- กลูโคสจากการสังเคราะห์แสงจะถูกใช้ในระหว่างการหายใจเพื่อปลดปล่อยพลังงานที่พืชต้องการสำหรับกระบวนการสำคัญอื่น ๆ
- เซลล์พืชยังเปลี่ยนกลูโคสบางส่วนไปเป็นแป้งซึ่งใช้ตามความจำเป็น ด้วยเหตุนี้พืชที่ตายแล้วจึงถูกใช้เป็นชีวมวลเนื่องจากเก็บพลังงานเคมีไว้
- กลูโคสยังจำเป็นในการผลิตสารเคมีอื่น ๆ เช่นโปรตีนไขมันและน้ำตาลจากพืชซึ่งจำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตและกระบวนการสำคัญอื่น ๆ
ขั้นตอนของการสังเคราะห์ด้วยแสง
กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงแบ่งออกเป็นสองระยะคือแสงและมืด
เฟสแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง
ตามชื่อแล้วระยะแสงต้องการแสงแดด ในปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงพลังงานของแสงแดดจะถูกดูดซับโดยคลอโรฟิลล์และเปลี่ยนเป็นพลังงานเคมีที่เก็บไว้ในรูปของโมเลกุลพาหะอิเล็กตรอน NADPH (นิโคตินอะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ฟอสเฟต) และ ATP ของโมเลกุลพลังงาน (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต) ระยะแสงเกิดขึ้นในเยื่อไธลาคอยด์ภายในคลอโรพลาสต์
ช่วงมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงหรือวัฏจักรคาลวิน
ในช่วงมืดหรือวัฏจักรคาลวินอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจากเฟสแสงจะให้พลังงานสำหรับการสร้างคาร์โบไฮเดรตจากโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ ขั้นตอนที่ไม่ขึ้นกับแสงบางครั้งเรียกว่าวัฏจักรคาลวินเนื่องจากลักษณะวัฏจักรของกระบวนการ
แม้ว่าระยะมืดจะไม่ใช้แสงเป็นตัวทำปฏิกิริยา (และด้วยเหตุนี้อาจเกิดขึ้นได้ทั้งกลางวันและกลางคืน) แต่ก็ต้องการผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงในการทำงาน โมเลกุลที่เป็นอิสระจากแสงขึ้นอยู่กับโมเลกุลของตัวพาพลังงาน - ATP และ NADPH - เพื่อสร้างโมเลกุลของคาร์โบไฮเดรตใหม่ หลังจากการถ่ายโอนพลังงานโมเลกุลของพาหะพลังงานจะกลับไปที่เฟสแสงเพื่อรับอิเล็กตรอนที่มีพลังมากขึ้น นอกจากนี้เอนไซม์ระยะมืดหลายชนิดจะถูกกระตุ้นด้วยแสง
แผนภาพเฟสการสังเคราะห์ด้วยแสง
หมายเหตุ:ซึ่งหมายความว่าระยะมืดจะไม่ดำเนินต่อไปหากพืชไม่ได้รับแสงเป็นเวลานานเกินไปเนื่องจากใช้ผลิตภัณฑ์ไลท์เฟส
โครงสร้างใบพืช
เราไม่สามารถศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสงได้อย่างเต็มที่โดยไม่ทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างของใบไม้ ใบไม้ถูกดัดแปลงให้มีบทบาทสำคัญในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
โครงสร้างภายนอกของใบไม้
- สแควร์
คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของพืชคือพื้นที่ผิวใบขนาดใหญ่ พืชสีเขียวส่วนใหญ่มีใบกว้างแบนและเปิดซึ่งสามารถจับพลังงานแสงอาทิตย์ (แสงแดด) ได้มากเท่าที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แสง
- เส้นเลือดกลางและก้านใบ
หลอดเลือดดำส่วนกลางและก้านใบจะเชื่อมเข้าด้วยกันและเป็นฐานของใบ ก้านใบวางตำแหน่งใบเพื่อให้ได้รับแสงมากที่สุด
- ใบมีด
ใบไม้ธรรมดามีแผ่นใบเดียวและใบที่ซับซ้อนมีหลายใบ ใบมีดเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของใบไม้ซึ่งมีส่วนเกี่ยวข้องโดยตรงในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
- หลอดเลือดดำ
เครือข่ายเส้นเลือดในใบนำพาน้ำจากลำต้นไปสู่ใบ กลูโคสที่ปล่อยออกมาจะถูกส่งไปยังส่วนอื่น ๆ ของพืชจากใบผ่านทางเส้นเลือด นอกจากนี้ส่วนเหล่านี้ของแผ่นรองรับและทำให้แผ่นโลหะแผ่นเรียบเพื่อให้จับแสงแดดได้มากขึ้น ตำแหน่งของหลอดเลือดดำ (venation) ขึ้นอยู่กับชนิดของพืช
- ฐานแผ่น
ฐานใบเป็นส่วนที่ต่ำที่สุดซึ่งประกบกับลำต้น บ่อยครั้งมีก้านคู่อยู่ที่ฐานของใบ
- ขอบใบ
ขอบใบอาจมีรูปร่างแตกต่างกันขึ้นอยู่กับชนิดของพืช ได้แก่ ขอบใบหยักหยักหยักเป็นต้น
- ด้านบนของใบ
เช่นเดียวกับขอบใบส่วนปลายมีหลายรูปทรง ได้แก่ แหลมโค้งมนป้านยาววาดเป็นต้น
โครงสร้างภายในของใบ
ด้านล่างนี้เป็นแผนภาพที่คล้ายกันของโครงสร้างภายในของเนื้อเยื่อใบ:
- หนังกำพร้า
หนังกำพร้าทำหน้าที่เป็นชั้นป้องกันหลักบนพื้นผิวของพืช มักจะหนาขึ้นที่ด้านบนของแผ่น หนังกำพร้าถูกปกคลุมด้วยสารคล้ายขี้ผึ้งที่ช่วยปกป้องพืชจากน้ำ
- หนังกำพร้า
หนังกำพร้าเป็นชั้นของเซลล์ที่เป็นเนื้อเยื่อชั้นนอกของใบ หน้าที่หลักคือการปกป้องเนื้อเยื่อชั้นในของใบจากการคายน้ำความเสียหายทางกลและการติดเชื้อ นอกจากนี้ยังควบคุมกระบวนการแลกเปลี่ยนและการคายก๊าซ
- เมโสฟิลล์
เมโสฟิลล์เป็นเนื้อเยื่อพืชหลัก นี่คือจุดที่กระบวนการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้น ในพืชส่วนใหญ่เมโซฟิลล์แบ่งออกเป็นสองชั้นชั้นบนเป็นรั้วและชั้นล่างเป็นรูพรุน
- เซลล์ป้องกัน
เซลล์ป้องกันเป็นเซลล์พิเศษในหนังกำพร้าใบที่ใช้ควบคุมการแลกเปลี่ยนก๊าซ พวกมันมีหน้าที่ป้องกันปากใบ รูขุมขนปากใบจะมีขนาดใหญ่เมื่อมีน้ำอย่างอิสระมิฉะนั้นเซลล์ป้องกันจะหย่อนยาน
- ปาก
การสังเคราะห์ด้วยแสงขึ้นอยู่กับการแทรกซึมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) จากอากาศผ่านปากใบเข้าสู่เนื้อเยื่อเมโซฟิลล์ ออกซิเจน (O2) ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงออกจากพืชผ่านปากใบ เมื่อปากใบเปิดน้ำจะสูญเสียไปจากการระเหยและต้องเติมผ่านกระแสคายที่มีน้ำดูดซึมโดยราก พืชถูกบังคับให้ปรับสมดุลของปริมาณ CO2 ที่ดูดซึมจากอากาศและการสูญเสียน้ำผ่านรูขุมขน
เงื่อนไขในการสังเคราะห์แสง
ด้านล่างนี้เป็นเงื่อนไขที่พืชต้องใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสง:
- คาร์บอนไดออกไซด์. ก๊าซธรรมชาติไม่มีสีไม่มีกลิ่นที่พบในอากาศและมีชื่อทางวิทยาศาสตร์ว่า CO2 เกิดขึ้นเมื่อคาร์บอนและสารประกอบอินทรีย์ถูกเผาไหม้และยังเกิดขึ้นระหว่างการหายใจ
- น้ำ... สารเคมีเหลวใสไม่มีกลิ่นและรสจืด (ภายใต้สภาวะปกติ)
- เปล่งปลั่ง.แม้ว่าแสงประดิษฐ์จะเหมาะสำหรับพืช แต่แสงแดดตามธรรมชาติก็มีแนวโน้มที่จะสร้างสภาวะที่ดีที่สุดสำหรับการสังเคราะห์แสงเนื่องจากมีรังสี UV ตามธรรมชาติซึ่งมีผลดีต่อพืช
- คลอโรฟิลล์.เป็นเม็ดสีเขียวที่พบในใบพืช
- สารอาหารและแร่ธาตุสารเคมีและสารประกอบอินทรีย์ที่รากพืชดูดซับจากดิน
อะไรเกิดขึ้นจากการสังเคราะห์แสง?
- กลูโคส;
- ออกซิเจน.
(พลังงานแสงแสดงอยู่ในวงเล็บเนื่องจากไม่สำคัญ)
หมายเหตุ: พืชได้รับ CO2 จากอากาศทางใบและน้ำจากดินผ่านทางราก พลังงานแสงมาจากดวงอาทิตย์ ออกซิเจนที่เกิดขึ้นจะถูกปล่อยออกสู่อากาศจากใบไม้ น้ำตาลกลูโคสที่ได้สามารถเปลี่ยนเป็นสารอื่นได้เช่นแป้งซึ่งใช้เป็นที่เก็บพลังงาน
หากขาดปัจจัยที่ส่งเสริมการสังเคราะห์แสงหรือมีอยู่ในปริมาณที่ไม่เพียงพออาจส่งผลเสียต่อพืชได้ ตัวอย่างเช่นแสงที่น้อยลงทำให้แมลงที่กินใบของพืชมีสภาพที่เอื้ออำนวยและการขาดน้ำจะช้าลง
การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นที่ไหน?
การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นภายในเซลล์พืชในพลาสปิดขนาดเล็กที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ คลอโรพลาสต์ (ส่วนใหญ่พบในชั้นเมโซฟิลล์) ประกอบด้วยสารสีเขียวที่เรียกว่าคลอโรฟิลล์ ด้านล่างนี้คือส่วนอื่น ๆ ของเซลล์ที่ทำงานร่วมกับคลอโรพลาสต์เพื่อสังเคราะห์แสง
โครงสร้างของเซลล์พืช
หน้าที่ของชิ้นส่วนเซลล์พืช
- : ให้การสนับสนุนทางโครงสร้างและทางกลปกป้องเซลล์จากแก้ไขและกำหนดรูปร่างของเซลล์ควบคุมอัตราและทิศทางการเจริญเติบโตและให้รูปร่างแก่พืช
- : เป็นเวทีสำหรับกระบวนการทางเคมีที่ควบคุมด้วยเอนไซม์ส่วนใหญ่
- : ทำหน้าที่เป็นอุปสรรคควบคุมการเคลื่อนที่ของสารเข้าและออกจากเซลล์
- : ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นประกอบด้วยคลอโรฟิลล์ซึ่งเป็นสารสีเขียวที่ดูดซับพลังงานแสงระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง
- : โพรงภายในไซโทพลาซึมของเซลล์ที่กักเก็บน้ำ
- : มีเครื่องหมายทางพันธุกรรม (DNA) ที่ควบคุมการทำงานของเซลล์
คลอโรฟิลล์ดูดซับพลังงานแสงที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แสง สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าแสงไม่ได้ถูกดูดซับความยาวคลื่นสีทั้งหมด พืชดูดซับคลื่นสีแดงและสีน้ำเงินเป็นหลัก - ไม่ดูดซับแสงในช่วงสีเขียว
คาร์บอนไดออกไซด์จากการสังเคราะห์ด้วยแสง
พืชได้รับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศทางใบ คาร์บอนไดออกไซด์ซึมผ่านรูเล็ก ๆ ที่ด้านล่างของใบ - ปากใบ
ส่วนล่างของใบมีเซลล์ที่ห่างกันอย่างหลวม ๆ เพื่อให้คาร์บอนไดออกไซด์ไปถึงเซลล์อื่น ๆ ในใบ นอกจากนี้ยังช่วยให้ออกซิเจนที่สร้างขึ้นระหว่างการสังเคราะห์แสงออกจากใบได้ง่าย
คาร์บอนไดออกไซด์มีอยู่ในอากาศที่เราหายใจด้วยความเข้มข้นต่ำมากและเป็นปัจจัยที่จำเป็นในช่วงมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง
แสงในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
แผ่นมักมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่จึงสามารถดูดซับแสงได้มาก ผิวด้านบนได้รับการปกป้องจากการสูญเสียน้ำโรคและสภาพอากาศโดยชั้นขี้ผึ้ง (หนังกำพร้า) ด้านบนของใบไม้เป็นจุดที่แสงตกกระทบ ชั้นของ mesophyll นี้เรียกว่า palisade มันถูกปรับให้ดูดซับแสงจำนวนมากเนื่องจากมีคลอโรพลาสต์จำนวนมาก
ในระยะแสงกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีแสงมากขึ้น โมเลกุลของคลอโรฟิลล์จะแตกตัวเป็นไอออนมากขึ้นและมีการสร้าง ATP และ NADPH มากขึ้นหากโฟตอนของแสงโฟกัสไปที่ใบไม้สีเขียว แม้ว่าแสงจะมีความสำคัญอย่างยิ่งในระยะแสง แต่ควรสังเกตว่าปริมาณที่มากเกินไปสามารถทำลายคลอโรฟิลล์และลดการสังเคราะห์แสงได้
ระยะแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิน้ำหรือคาร์บอนไดออกไซด์มากนักแม้ว่าจะต้องใช้ทั้งหมดเพื่อให้กระบวนการสังเคราะห์แสงเสร็จสมบูรณ์
น้ำระหว่างการสังเคราะห์แสง
พืชได้รับน้ำที่ต้องการในการสังเคราะห์แสงทางราก พวกมันมีขนรากที่งอกในดิน รากมีพื้นที่ผิวมากและผนังบางทำให้น้ำซึมผ่านได้สะดวก
ภาพแสดงพืชและเซลล์ที่มีน้ำเพียงพอ (ซ้าย) และขาดน้ำ (ขวา)
หมายเหตุ: เซลล์รากไม่มีคลอโรพลาสต์เนื่องจากมักอยู่ในที่มืดและไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้
ถ้าพืชดูดน้ำไม่เพียงพอมันก็เหี่ยวเฉา หากไม่มีน้ำพืชจะไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้เร็วพอและอาจถึงตายได้
น้ำมีความสำคัญต่อพืชอย่างไร?
- ให้แร่ธาตุที่ละลายน้ำเพื่อส่งเสริมสุขภาพของพืช
- เป็นสื่อกลางในการขนส่ง;
- รองรับเสถียรภาพและความเที่ยงตรง
- เย็นและชุ่มชื้น
- ทำให้สามารถทำปฏิกิริยาเคมีต่างๆในเซลล์พืชได้
ความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงในธรรมชาติ
กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวเคมีใช้พลังงานจากแสงแดดเพื่อเปลี่ยนน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นออกซิเจนและกลูโคส กลูโคสถูกใช้เป็นส่วนประกอบของพืชในการเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อ ดังนั้นการสังเคราะห์แสงจึงเป็นวิธีที่ทำให้เกิดรากลำต้นใบดอกและผล หากไม่มีกระบวนการสังเคราะห์แสงพืชจะไม่สามารถเจริญเติบโตหรือสืบพันธุ์ได้
- ผู้ผลิต
เนื่องจากความสามารถในการสังเคราะห์แสงพืชจึงได้ชื่อว่าเป็นผู้ผลิตและเป็นกระดูกสันหลังของห่วงโซ่อาหารเกือบทุกแห่งบนโลก (สาหร่ายเทียบเท่าพืชใน) อาหารทั้งหมดที่เรากินมาจากสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้ เรากินพืชเหล่านี้โดยตรงหรือกินสัตว์เช่นวัวหรือหมูที่กินอาหารจากพืช
- กระดูกสันหลังของห่วงโซ่อาหาร
ภายในระบบน้ำพืชและสาหร่ายยังเป็นกระดูกสันหลังของห่วงโซ่อาหาร สาหร่ายทำหน้าที่เป็นอาหารซึ่งจะทำหน้าที่เป็นแหล่งอาหารสำหรับสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ หากไม่มีการสังเคราะห์แสงในสภาพแวดล้อมทางน้ำชีวิตจะเป็นไปไม่ได้
- การกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
การสังเคราะห์ด้วยแสงจะแปลงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นออกซิเจน ในระหว่างการสังเคราะห์แสงคาร์บอนไดออกไซด์จากชั้นบรรยากาศจะเข้าสู่พืชแล้วปล่อยออกมาเป็นออกซิเจน ในโลกปัจจุบันที่ระดับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นในอัตราที่น่าตกใจกระบวนการใด ๆ ที่กำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศมีความสำคัญต่อสิ่งแวดล้อม
- วัฏจักรของสารอาหาร
พืชและสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงอื่น ๆ มีบทบาทสำคัญในวัฏจักรของสารอาหาร ไนโตรเจนในอากาศได้รับการแก้ไขในเนื้อเยื่อของพืชและสามารถสร้างโปรตีนได้ องค์ประกอบการติดตามที่พบในดินสามารถรวมเข้ากับเนื้อเยื่อพืชและทำให้สัตว์กินพืชสามารถเข้าถึงได้ในห่วงโซ่อาหาร
- การติดยาสังเคราะห์แสง
การสังเคราะห์แสงขึ้นอยู่กับความเข้มและคุณภาพของแสง ที่เส้นศูนย์สูตรซึ่งแสงแดดอุดมสมบูรณ์ตลอดทั้งปีและน้ำไม่ได้เป็นปัจจัย จำกัด พืชจะเติบโตในอัตราที่สูงและมีปริมาณค่อนข้างมาก ในทางกลับกันการสังเคราะห์แสงในส่วนที่ลึกลงไปของมหาสมุทรนั้นพบได้น้อยกว่าเนื่องจากแสงไม่ทะลุผ่านชั้นเหล่านี้และส่งผลให้ระบบนิเวศนี้ปลอดเชื้อมากขึ้น
การสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นกระบวนการสังเคราะห์สารอินทรีย์จากสารอนินทรีย์เนื่องจากพลังงานของแสง ในกรณีส่วนใหญ่ที่ครอบงำการสังเคราะห์แสงจะดำเนินการโดยพืชโดยใช้ออร์แกเนลล์ของเซลล์เช่น คลอโรพลาสต์มีเม็ดสีเขียว คลอโรฟิลล์.
หากพืชไม่สามารถสังเคราะห์สารอินทรีย์ได้สิ่งมีชีวิตอื่น ๆ เกือบทั้งหมดบนโลกก็จะไม่มีอะไรกินเนื่องจากสัตว์เชื้อราและแบคทีเรียหลายชนิดไม่สามารถสังเคราะห์สารอินทรีย์จากอนินทรีย์ได้ พวกเขาดูดซับเฉพาะสิ่งที่ทำเสร็จแล้วแยกออกเป็นสิ่งที่ง่ายกว่าซึ่งพวกเขารวบรวมสิ่งที่ซับซ้อนอีกครั้ง แต่มีลักษณะเฉพาะของร่างกายอยู่แล้ว
ในกรณีนี้ถ้าเราพูดถึงการสังเคราะห์แสงและบทบาทของมันสั้น ๆ เพื่อให้เข้าใจถึงการสังเคราะห์ด้วยแสงจำเป็นต้องกล่าวให้มากขึ้น: ใช้สารอนินทรีย์เฉพาะอะไรการสังเคราะห์เกิดขึ้นได้อย่างไร?
การสังเคราะห์ด้วยแสงต้องใช้สารอนินทรีย์สองชนิดคือคาร์บอนไดออกไซด์ (CO 2) และน้ำ (H 2 O) ประการแรกถูกดูดซึมจากอากาศโดยส่วนทางอากาศของพืชส่วนใหญ่ผ่านปากใบ น้ำ - จากดินจากที่ที่มันถูกส่งไปยังเซลล์สังเคราะห์แสงโดยระบบการนำของพืช นอกจากนี้การสังเคราะห์ด้วยแสงยังต้องการพลังงานของโฟตอน (hν) แต่ไม่สามารถนำมาประกอบกับสสารได้
โดยรวมแล้วการสังเคราะห์แสงทำให้เกิดสารอินทรีย์และออกซิเจน (O 2) โดยปกติสารอินทรีย์ส่วนใหญ่มักหมายถึงกลูโคส (C 6 H 12 O 6)
สารประกอบอินทรีย์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนไฮโดรเจนและออกซิเจน เป็นสารที่พบในคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ อย่างไรก็ตามในระหว่างการสังเคราะห์แสงออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมา อะตอมของมันถูกนำมาจากน้ำ
โดยย่อและโดยทั่วไปสมการของปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงมักเขียนได้ดังนี้:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
แต่สมการนี้ไม่ได้สะท้อนถึงสาระสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ได้ทำให้เข้าใจได้ ดูสิแม้ว่าสมการจะสมดุล แต่ก็มีออกซิเจนอิสระทั้งหมด 12 อะตอม แต่เราบอกว่ามันมาจากน้ำและมีเพียง 6 อะตอมเท่านั้น
ในความเป็นจริงการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นในสองขั้นตอน ครั้งแรกเรียกว่า เบาประการที่สองคือ มืด... ชื่อดังกล่าวเกิดจากความจริงที่ว่าแสงจำเป็นสำหรับเฟสแสงเท่านั้นเฟสมืดนั้นไม่ขึ้นอยู่กับการมีอยู่ แต่ไม่ได้หมายความว่ามันจะไปในที่มืด เฟสแสงเกิดขึ้นบนเยื่อคลอโรพลาสต์ไทลาคอยด์เฟสมืดในคลอโรพลาสต์สโตรมา
ในเฟสแสงจะไม่มีการผูก CO 2 เกิดขึ้น มีเพียงการจับพลังงานแสงอาทิตย์โดยคลอโรฟิลล์คอมเพล็กซ์การจัดเก็บใน ATP การใช้พลังงานเพื่อคืนค่า NADP เป็น NADP * H 2 การไหลของพลังงานจากคลอโรฟิลล์ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงนั้นมาจากอิเล็กตรอนซึ่งถูกส่งไปตามห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนของเอนไซม์ที่สร้างขึ้นในเยื่อไธลาคอยด์
ไฮโดรเจนสำหรับ NADP ถูกนำมาจากน้ำซึ่งภายใต้อิทธิพลของแสงแดดจะสลายตัวเป็นอะตอมของออกซิเจนโปรตอนของไฮโดรเจนและอิเล็กตรอน กระบวนการนี้เรียกว่า โฟโตไลซิส... ไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนจากน้ำในการสังเคราะห์แสง ออกซิเจนอะตอมจากน้ำสองโมเลกุลรวมกันเป็นโมเลกุลออกซิเจน สมการปฏิกิริยาสำหรับเฟสแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงมีดังต่อไปนี้:
H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½O 2
ดังนั้นออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาในช่วงแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง จำนวนโมเลกุลของ ATP ที่สังเคราะห์จาก ADP และกรดฟอสฟอริกต่อโฟโตไลซิสของโมเลกุลน้ำหนึ่งโมเลกุลอาจแตกต่างกัน: หนึ่งหรือสอง
ดังนั้น ATP และ NADP * H 2 จึงมาจากเฟสแสงไปยังเฟสมืด ที่นี่พลังงานของแรงที่หนึ่งและแรงลดของวินาทีจะถูกใช้ไปกับการจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ขั้นตอนของการสังเคราะห์แสงนี้ไม่สามารถอธิบายได้อย่างเรียบง่ายและรวบรัดเพราะมันไม่ได้ดำเนินการในลักษณะที่โมเลกุล CO 2 6 ตัวรวมกับไฮโดรเจนที่ปล่อยออกมาจากโมเลกุล NADP * H 2 เพื่อสร้างกลูโคส
6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(ปฏิกิริยาดำเนินการโดยใช้พลังงาน ATP ซึ่งสลายตัวเป็น ADP และกรดฟอสฟอริก)
ปฏิกิริยาข้างต้นเป็นเพียงการทำให้เข้าใจง่ายขึ้น ในความเป็นจริงโมเลกุลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จับตัวทีละตัวแนบกับสารอินทรีย์ห้าคาร์บอนสำเร็จรูป เกิดสารอินทรีย์หกคาร์บอนที่ไม่เสถียรซึ่งสลายตัวเป็นโมเลกุลของคาร์โบไฮเดรตสามคาร์บอน โมเลกุลเหล่านี้บางส่วนใช้สำหรับการสังเคราะห์ใหม่ของสารคาร์บอนห้าตัวเดิมเพื่อจับ CO 2 ดังกล่าวมีการสังเคราะห์ใหม่ วงจร Calvin... คาร์โบไฮเดรตสามโมเลกุลส่วนน้อยออกจากวงจร จากพวกมันและสารอื่น ๆ สารอินทรีย์อื่น ๆ ทั้งหมด (คาร์โบไฮเดรตไขมันโปรตีน) จะถูกสังเคราะห์
นั่นคือในความเป็นจริงน้ำตาลสามคาร์บอนไม่ใช่น้ำตาลกลูโคสจะถูกปล่อยออกมาจากช่วงมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง
คำจำกัดความ: การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการของการก่อตัวของสารอินทรีย์จากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในแสงด้วยการปล่อยออกซิเจน
คำอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสงกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกี่ยวข้องกับ:
1) คลอโรพลาสต์
3) คาร์บอนไดออกไซด์
5) อุณหภูมิ
ในพืชชั้นสูงการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ - พลาสปิดรูปวงรี (ออร์แกเนลล์กึ่งอิสระ) ที่มีเม็ดสีคลอโรฟิลล์เนื่องจากสีเขียวซึ่งส่วนของพืชก็มีสีเขียวเช่นกัน
ในสาหร่ายคลอโรฟิลล์มีอยู่ใน chromatophores (เซลล์ที่มีเม็ดสีและสะท้อนแสง) สาหร่ายสีน้ำตาลและสีแดงที่อาศัยอยู่ในระดับความลึกมากซึ่งแสงแดดส่องไปไม่ถึงมีเม็ดสีอื่น
หากคุณดูพีระมิดอาหารของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยแสงจะอยู่ที่ด้านล่างสุดซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของออโตโทรฟ (สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์สารอินทรีย์จากอนินทรีย์) ดังนั้นพวกมันจึงเป็นแหล่งอาหารของทุกชีวิตบนโลก
ในระหว่างการสังเคราะห์แสงออกซิเจนจะถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ ในบรรยากาศชั้นบนโอโซนก่อตัวขึ้นจากมัน เกราะป้องกันโอโซนปกป้องพื้นผิวโลกจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถหลบหนีจากทะเลขึ้นสู่พื้นดินได้
ออกซิเจนมีความจำเป็นต่อการหายใจของพืชและสัตว์ เมื่อกลูโคสถูกออกซิไดซ์ด้วยออกซิเจนไมโทคอนเดรียจะเก็บพลังงานได้มากกว่าการไม่มีออกซิเจนเกือบ 20 เท่า ทำให้การใช้อาหารมีประสิทธิภาพมากขึ้นส่งผลให้นกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีอัตราการเผาผลาญสูง
คำอธิบายโดยละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช
ความก้าวหน้าของการสังเคราะห์แสง:
กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มต้นด้วยการเข้าของแสงบนคลอโรพลาสต์ - ออร์แกเนลล์กึ่งอิสระภายในเซลล์ที่มีเม็ดสีเขียว ภายใต้อิทธิพลของแสงคลอโรพลาสต์จะเริ่มกินน้ำจากดินสลายเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน
ออกซิเจนส่วนหนึ่งถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศส่วนอีกส่วนหนึ่งไปสู่กระบวนการออกซิเดชั่นในพืช
น้ำตาลรวมกับไนโตรเจนกำมะถันและฟอสฟอรัสที่มาจากดินด้วยวิธีนี้พืชสีเขียวจะผลิตแป้งไขมันโปรตีนวิตามินและสารประกอบเชิงซ้อนอื่น ๆ ที่จำเป็นสำหรับชีวิตของพวกมัน
การสังเคราะห์ด้วยแสงทำได้ดีที่สุดภายใต้อิทธิพลของแสงแดด แต่พืชบางชนิดอาจพอใจกับแสงประดิษฐ์
คำอธิบายที่ซับซ้อนเกี่ยวกับกลไกการสังเคราะห์แสงสำหรับผู้อ่านขั้นสูง
จนถึงช่วงทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์รู้เพียงกลไกเดียวในการแก้ไขก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ - โดยทางเดิน C3-pentose phosphate อย่างไรก็ตามเมื่อเร็ว ๆ นี้กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลียสามารถพิสูจน์ได้ว่าในพืชบางชนิดการลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นผ่านวัฏจักรของกรด C4-dicarboxylic
ในพืชที่มีปฏิกิริยา C3 การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นบ่อยที่สุดภายใต้สภาวะอุณหภูมิและแสงปานกลางส่วนใหญ่อยู่ในป่าและในที่มืด พืชเหล่านี้ ได้แก่ พืชที่ปลูกได้เกือบทั้งหมดและพืชผักส่วนใหญ่ พวกมันเป็นพื้นฐานของอาหารของมนุษย์
ในพืชที่มีปฏิกิริยา C4 การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นบ่อยที่สุดภายใต้อุณหภูมิและสภาพแสงที่สูง พืชดังกล่าว ได้แก่ ข้าวโพดข้าวฟ่างและอ้อยซึ่งเติบโตในสภาพอากาศที่อบอุ่นและเขตร้อน
เมื่อไม่นานมานี้มีการค้นพบเมตาบอลิซึมของพืชเมื่อพบว่าในพืชบางชนิดที่มีเนื้อเยื่อพิเศษสำหรับกักเก็บน้ำคาร์บอนไดออกไซด์จะสะสมอยู่ในรูปของกรดอินทรีย์และได้รับการแก้ไขในคาร์โบไฮเดรตเพียงวันเดียว กลไกนี้ช่วยให้พืชสามารถอนุรักษ์แหล่งน้ำได้
การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นได้อย่างไร
พืชจะดูดซับแสงด้วยสารสีเขียวที่เรียกว่าคลอโรฟิลล์ คลอโรฟิลล์พบในคลอโรพลาสต์ซึ่งพบในลำต้นหรือผลไม้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งพวกมันมีมากในใบไม้เนื่องจากมีโครงสร้างที่แบนมากใบไม้จึงสามารถดึงดูดแสงได้มากดังนั้นจึงได้รับพลังงานมากขึ้นสำหรับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
หลังจากดูดซึมคลอโรฟิลล์จะอยู่ในสภาวะตื่นเต้นและถ่ายโอนพลังงานไปยังโมเลกุลอื่น ๆ ในร่างกายของพืชโดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งที่เกี่ยวข้องโดยตรงในการสังเคราะห์ด้วยแสง ขั้นตอนที่สองของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นโดยไม่ต้องมีส่วนร่วมของแสงและประกอบด้วยการได้รับพันธะเคมีกับการมีส่วนร่วมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ได้รับจากอากาศและน้ำ ในขั้นตอนนี้สารต่าง ๆ ที่มีประโยชน์ต่อชีวิตจะถูกสังเคราะห์เช่นแป้งและกลูโคส
สารอินทรีย์เหล่านี้ถูกใช้โดยพืชเองเพื่อเลี้ยงส่วนต่างๆของมันรวมทั้งรักษาชีวิตตามปกติ นอกจากนี้ยังได้รับสารเหล่านี้จากสัตว์กินพืช ผู้คนยังได้รับสารเหล่านี้จากการรับประทานอาหารจากสัตว์และพืช
เงื่อนไขในการสังเคราะห์แสง
การสังเคราะห์แสงสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งภายใต้อิทธิพลของแสงประดิษฐ์และแสงแดด ตามกฎแล้วในธรรมชาติพืช "ทำงาน" อย่างเข้มข้นในช่วงฤดูใบไม้ผลิ - ฤดูร้อนเมื่อมีแสงแดดที่จำเป็นมาก ในฤดูใบไม้ร่วงมีแสงน้อยวันสั้นลงใบไม้เปลี่ยนเป็นสีเหลืองก่อนแล้วจึงร่วงหล่น แต่ทันทีที่แสงแดดอบอุ่นในฤดูใบไม้ผลิปรากฏขึ้นใบไม้สีเขียวก็ปรากฏขึ้นอีกครั้งและ "โรงงาน" สีเขียวก็กลับมาทำงานอีกครั้งเพื่อให้ออกซิเจนซึ่งจำเป็นต่อชีวิตรวมถึงสารอาหารอื่น ๆ อีกมากมาย
นิยามทางเลือกของการสังเคราะห์ด้วยแสง
การสังเคราะห์ด้วยแสง (จากแสงและการสังเคราะห์ในภาษากรีกโบราณ - การเชื่อมต่อการพับการผูกมัดการสังเคราะห์) - กระบวนการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานของพันธะเคมีของสารอินทรีย์ในแสงโดยโฟโตโทรฟโดยการมีส่วนร่วมของเม็ดสีสังเคราะห์ด้วยแสง (คลอโรฟิลล์ในพืชแบคเทอริโอคลอโรฟิลล์และแบคเทอริโอทอปซินในแบคทีเรีย ). ในสรีรวิทยาของพืชสมัยใหม่การสังเคราะห์ด้วยแสงมักถูกเข้าใจว่าเป็นฟังก์ชันโฟโตโทรฟิกซึ่งเป็นการรวมกันของกระบวนการดูดซึมการเปลี่ยนรูปและการใช้พลังงานของควอนต้าแสงในปฏิกิริยาต่าง ๆ รวมถึงการเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารอินทรีย์
ขั้นตอนของการสังเคราะห์ด้วยแสง
การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างซับซ้อนและมีสองขั้นตอน: แสงซึ่งมักเกิดขึ้นเฉพาะในที่สว่างและมืด กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นภายในคลอโรพลาสต์ในอวัยวะขนาดเล็กพิเศษ - ปลานิล ในช่วงแสงควอนตัมของแสงจะถูกดูดซับโดยคลอโรฟิลล์ส่งผลให้เกิดการสร้างโมเลกุลของ ATP และ NADPH ในกรณีนี้น้ำจะสลายตัวกลายเป็นไฮโดรเจนไอออนและปล่อยโมเลกุลออกซิเจนออกมา คำถามเกิดขึ้นสารลึกลับที่เข้าใจยากเหล่านี้คืออะไร: ATP และ NADH?
ATP เป็นโมเลกุลอินทรีย์พิเศษที่พบในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดและมักเรียกว่าสกุลเงิน "พลังงาน" เป็นโมเลกุลเหล่านี้ที่มีพันธะพลังงานสูงและเป็นแหล่งพลังงานสำหรับกระบวนการสังเคราะห์อินทรีย์และกระบวนการทางเคมีในร่างกาย ที่จริงแล้ว NADPH เป็นแหล่งของไฮโดรเจนซึ่งใช้โดยตรงในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง - คาร์โบไฮเดรตซึ่งเกิดขึ้นในช่วงที่สองซึ่งเป็นช่วงมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์
เฟสแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง
คลอโรพลาสต์มีโมเลกุลของคลอโรฟิลล์จำนวนมากและทั้งหมดนี้ดูดซับแสงแดด ในเวลาเดียวกันแสงจะถูกดูดซับโดยรงควัตถุอื่น ๆ แต่ไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้ กระบวนการนี้เกิดขึ้นเฉพาะในโมเลกุลของคลอโรฟิลล์บางโมเลกุลซึ่งมีน้อยมาก โมเลกุลอื่น ๆ ของคลอโรฟิลล์แคโรทีนอยด์และสารอื่น ๆ เป็นเสาอากาศพิเศษเช่นเดียวกับสารประกอบเชิงซ้อนในการเก็บเกี่ยวแสง (SSC) เช่นเดียวกับเสาอากาศดูดซับควอนต้าของแสงและส่งแรงกระตุ้นไปยังศูนย์ปฏิกิริยาพิเศษหรือกับดัก ศูนย์เหล่านี้ตั้งอยู่ในระบบภาพถ่ายซึ่งพืชมีสองระบบ: ระบบภาพถ่าย II และระบบภาพถ่าย I ประกอบด้วยโมเลกุลคลอโรฟิลล์พิเศษตามลำดับในระบบภาพถ่าย II - P680 และในระบบภาพถ่าย I - P700 พวกมันดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นเท่านี้ (680 และ 700 นาโนเมตร)
แผนภาพทำให้ชัดเจนว่าทุกอย่างมีลักษณะอย่างไรและเกิดขึ้นในช่วงแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง
ในรูปเราเห็นระบบภาพถ่ายสองระบบที่มีคลอโรฟิลล์ P680 และ P700 รูปนี้ยังแสดงให้เห็นถึงพาหะซึ่งการขนส่งอิเล็กตรอนเกิดขึ้น
ดังนั้น: โมเลกุลของคลอโรฟิลล์ทั้งสองของระบบแสงทั้งสองดูดซับควอนตัมของแสงและรู้สึกตื่นเต้น อิเล็กตรอน e- (สีแดงในรูป) ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น
อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมีพลังงานสูงมากพวกมันจะแตกออกและเข้าสู่ห่วงโซ่พาหะพิเศษซึ่งอยู่ในเยื่อของไทลาคอยด์ซึ่งเป็นโครงสร้างภายในของคลอโรพลาสต์ จากรูปแสดงให้เห็นว่าจาก photosystem II จากคลอโรฟิลล์ P680 อิเล็กตรอนจะผ่านไปยังพลาสโตควิโนนและจากระบบภาพถ่าย I จากคลอโรฟิลล์ P700 ถึงเฟอร์เรดอกซิน ในโมเลกุลของคลอโรฟิลล์เองแทนที่อิเล็กตรอนหลังจากการหลุดออกแล้วจะเกิดหลุมสีน้ำเงินที่มีประจุบวก จะทำอย่างไร?
เพื่อชดเชยการขาดอิเล็กตรอนโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ P680 ของ photosystem II ได้รับอิเล็กตรอนจากน้ำในขณะที่ไฮโดรเจนไอออนเกิดขึ้น นอกจากนี้ยังเกิดจากการสลายตัวของน้ำที่ออกซิเจนที่ปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศเกิดขึ้น และโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ P700 ดังที่เห็นได้จากรูปประกอบขึ้นเพื่อการขาดอิเล็กตรอนผ่านระบบพาหะจาก photosystem II
โดยทั่วไปไม่ว่ามันจะยากแค่ไหนนี่คือวิธีการที่เฟสแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงดำเนินไปสาระสำคัญของมันอยู่ที่การถ่ายเทอิเล็กตรอน นอกจากนี้ยังสามารถเห็นได้จากรูปที่ขนานกับการขนส่งอิเล็กตรอนไฮโดรเจนไอออน H + เคลื่อนที่ผ่านเมมเบรนและสะสมอยู่ภายในไทลาคอยด์ เนื่องจากมีจำนวนมากที่นั่นพวกมันจึงเคลื่อนตัวออกไปด้านนอกด้วยความช่วยเหลือของปัจจัยการมีเพศสัมพันธ์พิเศษซึ่งเป็นสีส้มในรูปที่แสดงทางด้านขวาและดูเหมือนเห็ด
ในที่สุดเราจะเห็นขั้นตอนสุดท้ายของการขนส่งอิเล็กตรอนซึ่งเป็นผลมาจากการก่อตัวของสารประกอบ NADH ดังกล่าวข้างต้น และเนื่องจากการถ่ายโอนไอออน H + จึงมีการสังเคราะห์สกุลเงินพลังงาน - ATP (ดูในรูปด้านขวา)
ดังนั้นขั้นตอนแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงจึงเสร็จสมบูรณ์ออกซิเจนถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ ATP และ NADH จึงถูกสร้างขึ้น อะไรต่อไป? อินทรีย์ที่สัญญาไว้อยู่ที่ไหน? จากนั้นก็มาถึงขั้นตอนมืดซึ่งประกอบด้วยกระบวนการทางเคมีเป็นหลัก
ช่วงมืดของการสังเคราะห์แสง
สำหรับช่วงมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงส่วนประกอบที่จำเป็นคือคาร์บอนไดออกไซด์ - CO2 ดังนั้นพืชจึงต้องดูดซับมันจากชั้นบรรยากาศอย่างต่อเนื่อง เพื่อจุดประสงค์นี้มีโครงสร้างพิเศษบนพื้นผิวของใบ - ปากใบ เมื่อเปิดออก CO2 จะเข้าสู่ด้านในของใบไม้ละลายในน้ำและเข้าสู่ปฏิกิริยาของเฟสแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง
ในช่วงแสงในพืชส่วนใหญ่ CO2 จะจับกับสารประกอบอินทรีย์ห้าคาร์บอน (ซึ่งเป็นสายโซ่ของคาร์บอน 5 โมเลกุล) ทำให้เกิดสารประกอบคาร์บอนสามโมเลกุลสองโมเลกุล (กรด 3-phosphoglyceric) เพราะ สารประกอบคาร์บอนทั้งสามนี้เป็นผลลัพธ์หลักพืชที่มีการสังเคราะห์ด้วยแสงประเภทนี้เรียกว่าพืช C3
การสังเคราะห์เพิ่มเติมในคลอโรพลาสต์ค่อนข้างยาก เป็นผลให้สารประกอบคาร์บอนหกตัวเกิดขึ้นซึ่งสามารถสังเคราะห์กลูโคสซูโครสหรือแป้งได้ในอนาคต พืชเก็บพลังงานไว้ในรูปของสารอินทรีย์เหล่านี้ ในขณะเดียวกันมีเพียงส่วนเล็ก ๆ เท่านั้นที่ยังคงอยู่ในใบไม้ซึ่งใช้สำหรับความต้องการในขณะที่คาร์โบไฮเดรตที่เหลือจะเดินทางไปทั่วพืชไปยังจุดที่ต้องการพลังงานมากที่สุดตัวอย่างเช่นไปยังจุดเจริญเติบโต
การสังเคราะห์ด้วยแสงคือการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานของพันธะเคมี สารประกอบอินทรีย์.
การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นลักษณะเฉพาะของพืชซึ่งรวมถึงสาหร่ายทั้งหมดโปรคาริโอตจำนวนหนึ่งรวมถึงไซยาโนแบคทีเรียและยูคาริโอตที่มีเซลล์เดียวบางชนิด
ในกรณีส่วนใหญ่การสังเคราะห์ด้วยแสงจะทำให้เกิดออกซิเจน (O 2) เป็นผลพลอยได้ อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่กรณีเสมอไปเนื่องจากมีเส้นทางการสังเคราะห์แสงหลายแบบ ในกรณีของการปลดปล่อยออกซิเจนแหล่งที่มาของมันคือน้ำซึ่งอะตอมของไฮโดรเจนจะถูกแยกออกตามความต้องการของการสังเคราะห์ด้วยแสง
การสังเคราะห์ด้วยแสงประกอบด้วยปฏิกิริยาต่างๆที่เกี่ยวข้องกับเม็ดสีเอนไซม์โคเอนไซม์ ฯลฯ เม็ดสีหลัก ได้แก่ คลอโรฟิลล์นอกเหนือจากนั้นแคโรทีนอยด์และไฟโคบิลิน
ในธรรมชาติการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชมีสองวิธี: C 3 และ C 4 สิ่งมีชีวิตอื่นมีความจำเพาะของปฏิกิริยา ทุกสิ่งที่รวมกระบวนการที่แตกต่างกันเหล่านี้ภายใต้คำว่า "การสังเคราะห์ด้วยแสง" โดยรวมแล้วพลังงานของโฟตอนจะถูกเปลี่ยนเป็นพันธะเคมี สำหรับการเปรียบเทียบ: ในระหว่างการสังเคราะห์ทางเคมีพลังงานของพันธะเคมีของสารประกอบบางชนิด (อนินทรีย์) จะถูกเปลี่ยนเป็นสารอินทรีย์
การสังเคราะห์ด้วยแสงมีสองขั้นตอนคือแสงและสีเข้ม ประการแรกขึ้นอยู่กับการแผ่รังสีของแสง (hν) ซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาที่จะดำเนินต่อไป ระยะมืดไม่ขึ้นกับแสง
ในพืชการสังเคราะห์แสงจะเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาทั้งหมดสารอินทรีย์หลักจะถูกสร้างขึ้นจากการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตกรดอะมิโนกรดไขมัน ฯลฯ โดยปกติแล้วปฏิกิริยาทั้งหมดของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะถูกเขียนโดยสัมพันธ์กับ กลูโคส - ผลิตภัณฑ์สังเคราะห์แสงที่พบบ่อยที่สุด:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
อะตอมของออกซิเจนที่ประกอบเป็นโมเลกุล O 2 ไม่ได้ถูกนำมาจากคาร์บอนไดออกไซด์ แต่มาจากน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์เป็นแหล่งคาร์บอนที่สำคัญกว่า. ด้วยความผูกพันของมันทำให้พืชมีโอกาสสังเคราะห์สารอินทรีย์
ปฏิกิริยาเคมีข้างต้นเป็นลักษณะทั่วไปและสะสม มันห่างไกลจากสาระสำคัญของกระบวนการ วิธีนี้ไม่ได้เกิดกลูโคสจากโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์หกโมเลกุล การผูก CO 2 จะเกิดขึ้นทีละโมเลกุลซึ่งก่อนอื่นจะยึดติดกับน้ำตาลห้าคาร์บอนที่มีอยู่แล้ว
โปรคาริโอตมีลักษณะเฉพาะของการสังเคราะห์ด้วยแสง ดังนั้นในแบคทีเรียเม็ดสีหลักคือแบคเทอริโอคลอโรฟิลล์และออกซิเจนจะไม่ถูกปล่อยออกมาเนื่องจากไฮโดรเจนไม่ได้ถูกนำมาจากน้ำ แต่มักมาจากไฮโดรเจนซัลไฟด์หรือสารอื่น ๆ ในสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินคลอโรฟิลล์เป็นเม็ดสีหลักและออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง
เฟสแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง
ในช่วงแสงของการสังเคราะห์แสง ATP และ NADPH 2 จะถูกสังเคราะห์เนื่องจากพลังงานที่เปล่งประกาย มันเกิดขึ้น บน thylakoids ของคลอโรพลาสต์โดยที่เม็ดสีและเอนไซม์สร้างสารประกอบเชิงซ้อนสำหรับการทำงานของวงจรไฟฟ้าเคมีโดยที่อิเล็กตรอนและโปรตอนไฮโดรเจนบางส่วนจะถูกถ่ายโอน
อิเล็กตรอนจะจบลงที่โคเอนไซม์ NADP ซึ่งมีประจุเป็นลบดึงดูดโปรตอนบางส่วนเข้าหาตัวเองและเปลี่ยนเป็น NADPH 2 นอกจากนี้การสะสมของโปรตอนที่ด้านหนึ่งของเยื่อไธลาคอยด์และอิเล็กตรอนอีกด้านหนึ่งจะทำให้เกิดการไล่ระดับสีด้วยไฟฟ้าเคมีซึ่งมีศักยภาพในการใช้เอนไซม์ ATP Synthetase เพื่อสังเคราะห์ ATP จาก ADP และกรดฟอสฟอริก
รงควัตถุหลักของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือคลอโรฟิลล์ต่างๆ โมเลกุลของพวกมันจับการปล่อยสเปกตรัมของแสงบางส่วนที่แตกต่างกันบางส่วน ในกรณีนี้อิเล็กตรอนบางโมเลกุลของคลอโรฟิลล์จะเคลื่อนที่ไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้น นี่คือสถานะที่ไม่เสถียรและตามทฤษฎีแล้วอิเล็กตรอนที่ถูกรังสีเดียวกันควรให้พลังงานที่ได้รับจากภายนอกเข้าไปในอวกาศและกลับสู่ระดับก่อนหน้า อย่างไรก็ตามในเซลล์สังเคราะห์แสงอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจะถูกจับโดยตัวรับและเมื่อพลังงานของมันลดลงทีละน้อยจะถูกถ่ายโอนไปตามสายโซ่พาหะ
บนเยื่อไธลาคอยด์มีระบบภาพถ่ายสองประเภทที่ปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเมื่อถูกแสง Photosystems เป็นสารประกอบเชิงซ้อนของเม็ดสีคลอโรฟิลิกส่วนใหญ่ที่มีศูนย์ปฏิกิริยาซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกแยกออก ในระบบภาพถ่ายแสงแดดจับโมเลกุลจำนวนมาก แต่พลังงานทั้งหมดจะถูกรวบรวมไว้ที่ศูนย์ปฏิกิริยา
อิเล็กตรอนของระบบภาพถ่าย I ผ่านห่วงโซ่พาหะลด NADP
พลังงานของอิเล็กตรอนที่แยกออกจาก photosystem II ใช้สำหรับการสังเคราะห์ ATP และอิเล็กตรอนของ photosystem II เองก็เติมรูอิเล็กตรอนของ photosystem I.
รูของระบบภาพถ่ายที่สองเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนที่เกิดจาก โฟโตไลซิสของน้ำ... โฟโตไลซิสยังเกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของแสงและประกอบด้วยการสลายตัวของ H 2 O เป็นโปรตอนอิเล็กตรอนและออกซิเจน มันเป็นผลมาจากการโฟโตไลซิสของน้ำทำให้เกิดออกซิเจนอิสระ โปรตอนมีส่วนร่วมในการสร้างการไล่ระดับสีด้วยไฟฟ้าเคมีและลด NADP คลอโรฟิลล์ของ photosystem II ได้รับอิเล็กตรอน
สมการทั้งหมดโดยประมาณของเฟสแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง:
H 2 O + NADP + 2ADP + 2P →½O 2 + NADP · H 2 + 2ATP
การขนส่งอิเล็กตรอนแบบวงจร
ข้างต้นเป็นสิ่งที่เรียกว่า เฟสแสงที่ไม่ใช่วงจรของการสังเคราะห์ด้วยแสง... มีอีกไหม การขนส่งอิเล็กตรอนแบบวงจรเมื่อไม่มีการลด NADP... ในกรณีนี้อิเล็กตรอนจากระบบภาพถ่ายฉันไปที่ห่วงโซ่พาหะซึ่ง ATP ถูกสังเคราะห์ นั่นคือห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนนี้รับอิเล็กตรอนจากระบบภาพถ่าย I ไม่ใช่ II ระบบภาพถ่ายแรกตระหนักถึงวัฏจักร: อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะกลับไปที่มัน ระหว่างทางพวกเขาใช้พลังงานส่วนหนึ่งเพื่อสังเคราะห์ ATP
โฟโตฟอสฟอรัสและฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชัน
ระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถเปรียบเทียบได้กับขั้นตอนของการหายใจของเซลล์ - ฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชั่นซึ่งเกิดขึ้นบนไมโตคอนเดรีย cristae เช่นกันการสังเคราะห์ ATP เกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและโปรตอนตามห่วงโซ่พาหะ อย่างไรก็ตามในกรณีของการสังเคราะห์ด้วยแสงพลังงานจะถูกเก็บไว้ใน ATP ไม่ใช่เพื่อความต้องการของเซลล์ แต่ส่วนใหญ่เป็นความต้องการของการสังเคราะห์ด้วยแสงในช่วงมืด และถ้าในระหว่างการหายใจสารอินทรีย์เป็นแหล่งพลังงานหลักในระหว่างการสังเคราะห์แสงก็คือแสงแดด การสังเคราะห์ ATP ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงเรียกว่า โฟโตฟอสฟอรัสมากกว่าฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชัน
ช่วงมืดของการสังเคราะห์แสง
เป็นครั้งแรกที่มีการศึกษารายละเอียดขั้นตอนมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงโดย Calvin, Benson, Bassem วัฏจักรของปฏิกิริยาที่ค้นพบในภายหลังเรียกว่าวัฏจักรคาลวินหรือการสังเคราะห์ด้วยแสง C 3 พืชบางกลุ่มมีวิถีสังเคราะห์แสง C4 ที่ปรับเปลี่ยนแล้วหรือที่เรียกว่าวัฏจักร Hatch-Slack
ในปฏิกิริยาที่มืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง CO 2 ได้รับการแก้ไข ระยะมืดเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์สโตรมา
การลดลงของ CO 2 เกิดขึ้นเนื่องจากพลังงานของ ATP และกำลังรีดิวซ์ของ NADP · H 2 เกิดขึ้นในปฏิกิริยาแสง หากไม่มีพวกเขาการตรึงคาร์บอนจะไม่เกิดขึ้น ดังนั้นแม้ว่าระยะมืดจะไม่ได้ขึ้นอยู่กับแสงโดยตรง แต่ก็มักเกิดขึ้นในแสง
วงจร Calvin
ปฏิกิริยาแรกของระยะมืดคือการเพิ่ม CO 2 ( คาร์บอกซิเลชันจ) ถึง 1,5-ribulezobiphosphate ( ไรบูโลส -1,5- ไดฟอสเฟต) – RiBF... หลังคือไรโบส phosphorylated สองเท่า ปฏิกิริยานี้ถูกเร่งโดยเอนไซม์ ribulose-1,5-diphosphate carboxylase หรือที่เรียกว่า รูบิสโก.
อันเป็นผลมาจากคาร์บอกซิเลชั่นจึงเกิดสารประกอบคาร์บอนหกตัวที่ไม่เสถียรซึ่งเป็นผลมาจากการไฮโดรไลซิสจะสลายตัวเป็นโมเลกุลคาร์บอนสามตัวสองตัว กรดฟอสฮอกลีเซอริก (FHA) - ผลิตภัณฑ์แรกของการสังเคราะห์ด้วยแสง FHA เรียกอีกอย่างว่า phosphoglycerate
RuBP + CO 2 + H 2 O → 2FGK
FHA ประกอบด้วยคาร์บอนสามอะตอมซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นส่วนหนึ่งของหมู่คาร์บอกซิลที่เป็นกรด (-COOH):
น้ำตาลสามคาร์บอน (ไกลเซอราลดีไฮด์ฟอสเฟต) เกิดจาก FHA ไตรโอสฟอสเฟต (TF)รวมถึงกลุ่มอัลดีไฮด์ (-CHO) อยู่แล้ว:
FHA (3-acid) → TF (3-sugar)
ปฏิกิริยานี้ใช้พลังงานของ ATP และแรงลดของ NADP · H 2 TF เป็นคาร์โบไฮเดรตชนิดแรกในการสังเคราะห์ด้วยแสง
หลังจากนั้นไตรโอสฟอสเฟตส่วนใหญ่จะถูกใช้ไปกับการสร้างใหม่ของไรบูโลสไบฟอสเฟต (RuBP) ซึ่งจะใช้เพื่อผูก CO 2 อีกครั้ง การสร้างใหม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่มีราคาแพงของ ATP ซึ่งเกี่ยวข้องกับฟอสเฟตน้ำตาลที่มีคาร์บอน 3 ถึง 7 อะตอม
วัฏจักรของ RuBF นี้เป็นสาระสำคัญของวัฏจักรคาลวิน
ส่วนเล็ก ๆ ของ TF ที่เกิดขึ้นจะออกจากวัฏจักรคาลวิน ในแง่ของโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกผูกไว้ 6 โมเลกุลผลผลิตคือ 2 โมเลกุลไตรโอสฟอสเฟต ปฏิกิริยาทั้งหมดของวงจรกับผลิตภัณฑ์อินพุตและเอาต์พุต:
6CO 2 + 6H 2 O →2ТФ
ในกรณีนี้โมเลกุลของ RuBP 6 โมเลกุลจะมีส่วนร่วมในการจับและเกิดโมเลกุล FHA 12 โมเลกุลซึ่งจะถูกแปลงเป็น 12 TF ซึ่ง 10 โมเลกุลยังคงอยู่ในวัฏจักรและถูกเปลี่ยนเป็น 6 โมเลกุลของ RuBP เนื่องจาก TF เป็นน้ำตาลสามคาร์บอนและ RuBP เป็นน้ำตาลห้าคาร์บอนดังนั้นในส่วนที่เกี่ยวกับอะตอมของคาร์บอนเรามี: 10 * 3 \u003d 6 * 5 จำนวนอะตอมของคาร์บอนที่ให้วัฏจักรไม่เปลี่ยนแปลง RuBP ที่จำเป็นทั้งหมดจึงถูกสร้างใหม่ และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หกโมเลกุลที่รวมอยู่ในวัฏจักรจะถูกใช้ไปกับการสร้างไตรโอสฟอสเฟตสองโมเลกุลออกจากวงจร
สำหรับวัฏจักรคาลวินต่อโมเลกุล CO 2 ที่ถูกผูกไว้ 6 โมเลกุลจะใช้โมเลกุล 18 ATP และ 12 NADPH 2 โมเลกุลซึ่งถูกสังเคราะห์ในปฏิกิริยาของเฟสแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง
การคำนวณจะดำเนินการสำหรับโมเลกุลไตรโอสฟอสเฟตสองตัวที่ออกจากวงจรเนื่องจากโมเลกุลของกลูโคสที่ได้จะมีคาร์บอน 6 อะตอม
Triose phosphate (TP) เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายของวัฏจักรคาลวิน แต่แทบจะไม่สามารถเรียกได้ว่าเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการสังเคราะห์ด้วยแสงเนื่องจากแทบจะไม่สะสม แต่เมื่อทำปฏิกิริยากับสารอื่นจะเปลี่ยนเป็นน้ำตาลกลูโคสซูโครสแป้งไขมันกรดไขมันกรดอะมิโน นอกจาก TF แล้ว FGK ยังมีบทบาทสำคัญ อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาดังกล่าวไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะในสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยแสงเท่านั้น ในแง่นี้ระยะมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเหมือนกับวัฏจักรของคาลวิน
น้ำตาลหกคาร์บอนถูกสร้างขึ้นจาก FHA โดยการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์แบบขั้นตอน ฟรุกโตส -6- ฟอสเฟตซึ่งกลายเป็น กลูโคส... ในพืชกลูโคสสามารถพอลิเมอร์เป็นแป้งและเซลลูโลสได้ การสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตคล้ายกับกระบวนการย้อนกลับของไกลโคไลซิส
Photorespiration
ออกซิเจนยับยั้งการสังเคราะห์แสง ยิ่งมี O 2 มากขึ้นในสิ่งแวดล้อมกระบวนการตรึง CO 2 ก็จะมีประสิทธิภาพน้อยลง ความจริงก็คือเอนไซม์ไรบูโลสไบฟอสเฟตคาร์บอกซิเลส (รูบิสโก) ไม่เพียง แต่ทำปฏิกิริยากับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงออกซิเจนด้วย ในกรณีนี้ปฏิกิริยาที่มืดจะแตกต่างกันบ้าง
Phosphoglycolate เป็นกรดฟอสฮอกไกลโคลิก กลุ่มฟอสเฟตจะถูกแยกออกทันทีและเปลี่ยนเป็นกรดไกลโคลิก (ไกลโคลิก) จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนอีกครั้งเพื่อ "ใช้ประโยชน์" ดังนั้นยิ่งออกซิเจนในบรรยากาศมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งกระตุ้นการแผ่รังสีแสงมากขึ้นและพืชก็จะต้องการออกซิเจนมากขึ้นเพื่อกำจัดผลิตภัณฑ์ที่เกิดปฏิกิริยา
Photorespiration คือการใช้ออกซิเจนและการผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งขึ้นอยู่กับแสง นั่นคือการแลกเปลี่ยนก๊าซเกิดขึ้นในระหว่างการหายใจ แต่เกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์และขึ้นอยู่กับการแผ่รังสีของแสง Photorespiration ขึ้นอยู่กับแสงเท่านั้นเนื่องจาก ribulose biphosphate เกิดขึ้นในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงเท่านั้น
ในระหว่างการแผ่รังสีแสงอะตอมของคาร์บอนจะถูกส่งกลับจากไกลคอลเข้าสู่วัฏจักรคาลวินในรูปของกรดฟอสฮอกลีเซอริก (phosphoglycerate)
2 Glycolate (C 2) → 2 Glyoxylate (C 2) → 2 Glycine (C 2) - CO 2 → Serine (C 3) → Hydroxypyruvate (C 3) → Glycerate (C 3) → FHA (C 3)
อย่างที่คุณเห็นการกลับมาไม่สมบูรณ์เนื่องจากคาร์บอนหนึ่งอะตอมสูญเสียไประหว่างการเปลี่ยนโมเลกุลไกลซีนสองโมเลกุลให้เป็นโมเลกุลของกรดอะมิโนซีรีนหนึ่งโมเลกุลในขณะที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมา
ต้องใช้ออกซิเจนในขั้นตอนของการเปลี่ยนไกลโคเลตเป็นไกลอกซีเลตและไกลซีนเป็นซีรีน
การเปลี่ยนไกลโคเลตเป็นไกลออกซิเลตแล้วเป็นไกลซีนเกิดขึ้นในเพอรอกซิโซมการสังเคราะห์ซีรีนในไมโตคอนเดรีย ซีรีนเข้าสู่เพอรอกซิโซมอีกครั้งโดยที่มันจะสร้างไฮดรอกซีไพรูเวตก่อนแล้วจากนั้นให้ไกลซีเรต กลีเซอเรตเข้าสู่คลอโรพลาสต์แล้วซึ่ง FHA ถูกสังเคราะห์จากมัน
Photorespiration เป็นเรื่องปกติสำหรับพืชที่มีการสังเคราะห์ด้วยแสงประเภท C 3 อาจถือได้ว่าเป็นอันตรายเนื่องจากพลังงานสูญเปล่าในการเปลี่ยนไกลโคเลตเป็น FHA เห็นได้ชัดว่าแสงเกิดขึ้นเนื่องจากพืชโบราณไม่พร้อมสำหรับออกซิเจนจำนวนมากในชั้นบรรยากาศ เริ่มแรกวิวัฒนาการของพวกมันเกิดขึ้นในบรรยากาศที่อุดมไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และเขาเป็นผู้ที่จับจุดศูนย์กลางปฏิกิริยาของเอนไซม์ Rubisco เป็นหลัก
C 4 -photosynthesis หรือ Hatch-Slack cycle
ถ้าที่ C 3 -photosynthesis ผลิตภัณฑ์แรกของเฟสมืดคือกรดฟอสโฟกลีเซอริกซึ่งประกอบด้วยคาร์บอนสามอะตอมดังนั้นที่ C 4 ทางผลิตภัณฑ์แรกคือกรดที่ประกอบด้วยคาร์บอนสี่อะตอม ได้แก่ malic, oxaloacetic, aspartic
การสังเคราะห์แสง C 4 พบได้ในพืชเขตร้อนหลายชนิดเช่นอ้อยข้าวโพด
C 4- พืชดูดซับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นพวกมันแทบจะไม่มีการแผ่รังสีที่แสดงออกมา
พืชที่การสังเคราะห์แสงในระยะมืดดำเนินไปตามทางเดิน C 4 มีโครงสร้างใบพิเศษ ในนั้นกลุ่มตัวนำจะล้อมรอบด้วยเซลล์สองชั้น ชั้นในเป็นแผ่นปิดของคานนำไฟฟ้า ชั้นนอกคือเซลล์เมโซฟิลล์ ชั้นเซลล์ของคลอโรพลาสต์แตกต่างกัน
เมโซฟิลิกคลอโรพลาสต์มีลักษณะเป็นแกรนูลขนาดใหญ่มีกิจกรรมของระบบภาพถ่ายสูงและไม่มีเอนไซม์ RuBP-carboxylase (Rubisco) และแป้ง นั่นคือคลอโรพลาสต์ของเซลล์เหล่านี้ได้รับการปรับให้เข้ากับช่วงแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นหลัก
ในคลอโรพลาสต์ของเซลล์ของกลุ่มตัวนำกรานาเกือบจะไม่ได้รับการพัฒนา แต่ความเข้มข้นของ RuBP carboxylase นั้นสูง คลอโรพลาสต์เหล่านี้ได้รับการปรับให้เข้ากับการสังเคราะห์แสงในช่วงมืด
คาร์บอนไดออกไซด์จะเข้าสู่เซลล์เมโซฟิลล์ก่อนโดยจับกับกรดอินทรีย์ในรูปแบบนี้จะถูกส่งไปยังเซลล์หุ้มเซลล์จะถูกปล่อยออกมาแล้วจับในลักษณะเดียวกับในพืช C 3 นั่นคือ C 4 -path เติมเต็มแทนที่จะแทนที่ C 3
ใน mesophyll CO 2 จะถูกเพิ่มเข้าไปใน phosphoenolpyruvate (PEP) เพื่อสร้าง oxaloacetate (กรด) ซึ่งประกอบด้วยคาร์บอนสี่อะตอม:
ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นโดยการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ PEP-carboxylase ซึ่งมีความสัมพันธ์กับ CO 2 สูงกว่ารูบิสโก นอกจากนี้ PEP-carboxylase ไม่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนซึ่งหมายความว่าจะไม่ถูกใช้ไปกับการดูดซับแสง ดังนั้นข้อได้เปรียบของการสังเคราะห์ด้วยแสง C 4 จึงอยู่ที่การตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นการเพิ่มความเข้มข้นในเซลล์เปลือกและส่งผลให้การทำงานของ RiBP carboxylase มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งแทบจะไม่ถูกใช้เพื่อการเรืองแสง
Oxaloacetate ถูกเปลี่ยนเป็นกรด 4-carbon dicarboxylic (malate หรือ aspartate) ซึ่งถูกขนส่งไปยังคลอโรพลาสต์ของเซลล์หุ้มของมัดที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ที่นี่กรดจะถูก decarboxylated (การกำจัด CO 2) ออกซิไดซ์ (การกำจัดไฮโดรเจน) และเปลี่ยนเป็นไพรูเวต ไฮโดรเจนช่วยลด NADP Pyruvate กลับไปที่ mesophyll โดยที่ PEP จะถูกสร้างใหม่จากการใช้ ATP
CO 2 ที่ฉีกขาดในคลอโรพลาสต์ของเซลล์ปลอกไปยังเส้นทาง C 3 ตามปกติของการสังเคราะห์ด้วยแสงในช่วงมืดนั่นคือวัฏจักรคาลวิน
การสังเคราะห์แสงตามเส้นทาง Hatch-Slack ต้องใช้พลังงานมากขึ้น
เป็นที่เชื่อกันว่าทางเดิน C 4 มีวิวัฒนาการช้ากว่าทางเดิน C 3 และเป็นการปรับให้เข้ากับแสงในหลาย ๆ ด้าน
- การสังเคราะห์สารอินทรีย์จากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำโดยใช้พลังงานแสงบังคับ:
ไฟ 6CO 2 + 6H 2 O + Q → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
ในพืชชั้นสูงอวัยวะที่สังเคราะห์ด้วยแสงคือใบไม้ออร์แกเนลล์ที่สังเคราะห์ด้วยแสงคือคลอโรพลาสต์ (โครงสร้างของคลอโรพลาสต์ - บรรยายที่ 7) รงควัตถุสังเคราะห์แสงถูกสร้างขึ้นในเยื่อคลอโรพลาสต์ไทลาคอยด์: คลอโรฟิลล์และแคโรทีนอยด์ คลอโรฟิลล์มีหลายประเภท ( เอบีซีดี) สารสำคัญคือคลอโรฟิลล์ ก... ในโมเลกุลของคลอโรฟิลล์เราสามารถแยกแยะ "หัว" ของพอร์ไฟรินที่มีอะตอมของแมกนีเซียมอยู่ตรงกลางและไฟโตล "หาง" พอร์ไฟริน "ส่วนหัว" เป็นโครงสร้างที่เรียบไม่ชอบน้ำดังนั้นจึงตั้งอยู่บนพื้นผิวของเมมเบรนที่หันหน้าไปทางน้ำของสโตรมา ไฟโตล "หาง" ไม่ชอบน้ำและด้วยเหตุนี้จึงเก็บโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ไว้ในเยื่อหุ้มเซลล์
คลอโรฟิลล์ดูดซับแสงสีแดงและสีน้ำเงินม่วงสะท้อนสีเขียวและทำให้พืชมีสีเขียว โมเลกุลของคลอโรฟิลล์ในเยื่อไธลาคอยด์จัดอยู่ใน ระบบภาพถ่าย... พืชและสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินมี photosystem-1 และ photosystem-2 ในขณะที่แบคทีเรียสังเคราะห์แสงมี photosystem-1 มีเพียง photosystem-2 เท่านั้นที่สามารถย่อยสลายน้ำด้วยการปล่อยออกซิเจนและรับอิเล็กตรอนจากไฮโดรเจนของน้ำ
การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่ซับซ้อน ปฏิกิริยาสังเคราะห์แสงแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: ปฏิกิริยา เฟสแสง และปฏิกิริยา เฟสมืด.
เฟสแสง
ระยะนี้เกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีแสงในเยื่อของ thylakoids ด้วยการมีส่วนร่วมของคลอโรฟิลล์โปรตีนถ่ายโอนอิเล็กตรอนและเอนไซม์ - เอทีพีซินเทเทส ภายใต้อิทธิพลของควอนตัมของแสงอิเล็กตรอนของคลอโรฟิลล์จะตื่นเต้นออกจากโมเลกุลและเข้าสู่ด้านนอกของเยื่อไธลาคอยด์ซึ่งในที่สุดจะกลายเป็นประจุลบ โมเลกุลของคลอโรฟิลล์ที่ออกซิไดซ์จะลดลงโดยการรับอิเล็กตรอนจากน้ำซึ่งอยู่ในช่องว่างภายใน สิ่งนี้นำไปสู่การสลายหรือโฟโตไลซิสของน้ำ:
H 2 O + Q แสง→ H + + OH -
ไฮดรอกซิลไอออนบริจาคอิเล็กตรอนของพวกเขาเปลี่ยนเป็นอนุมูลปฏิกิริยา
OH - → .OH + จ -.
Radicals OH รวมตัวกันเป็นน้ำและออกซิเจนอิสระ:
4 น. → 2H 2 O + O 2.
ในกรณีนี้ออกซิเจนจะถูกกำจัดออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอกและโปรตอนสะสมอยู่ภายในไทลาคอยด์ใน "แหล่งกักเก็บโปรตอน" เป็นผลให้เมมเบรนไทลาคอยด์ในมือข้างหนึ่งมีประจุบวกเนื่องจาก H + ในทางกลับกันเนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบ เมื่อความต่างศักย์ระหว่างด้านนอกและด้านในของเมมเบรนไทลาคอยด์ถึง 200 mV โปรตอนจะถูกผลักผ่านช่องของเอทีพีซินเทสและฟอสโฟรีเลชันของ ADP ไปยัง ATP อะตอมไฮโดรเจนใช้เพื่อลดพาหะเฉพาะ NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) เป็น NADPH 2:
2Н + + 2е - + NADP → NADPH 2.
ดังนั้นโฟโตไลซิสของน้ำจึงเกิดขึ้นในช่วงแสงซึ่งมาพร้อมกับกระบวนการที่สำคัญที่สุดสามกระบวนการ: 1) การสังเคราะห์ ATP; 2) การก่อตัวของ NADP · H 2; 3) การก่อตัวของออกซิเจน ออกซิเจนแพร่เข้าสู่บรรยากาศ ATP และ NADP · H 2 ถูกขนส่งไปยังคลอโรพลาสต์สโตรมาและเข้าร่วมในกระบวนการเฟสมืด
1 - คลอโรพลาสต์สโตรมา 2 - กรานาไทลาคอยด์
เฟสมืด
ระยะนี้เกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์สโตรมา สำหรับปฏิกิริยาของมันไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานของแสงดังนั้นจึงเกิดขึ้นไม่เพียง แต่ในแสงเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในที่มืดด้วย ปฏิกิริยาระยะมืดเป็นห่วงโซ่ของการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (มาจากอากาศ) ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของกลูโคสและสารอินทรีย์อื่น ๆ
ปฏิกิริยาแรกในห่วงโซ่นี้คือการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ เครื่องกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์คือน้ำตาลห้าคาร์บอน ไรบูโลสไบฟอสเฟต (RiBF); เอนไซม์เร่งปฏิกิริยา ribulose biphosphate carboxylase (รูบีพีคาร์บอกซิเลส). อันเป็นผลมาจาก carboxylation ของ ribulose bisphosphate จึงเกิดสารประกอบคาร์บอนหกตัวที่ไม่เสถียรซึ่งจะสลายตัวเป็นสองโมเลกุลทันที กรดฟอสฮอกลีเซอริก (FGK) จากนั้นวงจรของปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นซึ่งกรดฟอสฮอกลีเซอริกจะถูกเปลี่ยนเป็นกลูโคสผ่านชุดผลิตภัณฑ์ระดับกลาง ปฏิกิริยาเหล่านี้ใช้พลังงานของ ATP และ NADP · H 2 ที่เกิดขึ้นในเฟสแสง วัฏจักรของปฏิกิริยาเหล่านี้เรียกว่า "วัฏจักรคาลวิน":
6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O
นอกเหนือจากกลูโคสแล้วในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงโมโนเมอร์อื่น ๆ ของสารประกอบอินทรีย์ที่ซับซ้อนจะเกิดขึ้นเช่นกรดอะมิโนกลีเซอรอลและกรดไขมันนิวคลีโอไทด์ ปัจจุบันการสังเคราะห์ด้วยแสงมี 2 ประเภทคือการสังเคราะห์ด้วยแสงแบบ C 3 และ C 4
การสังเคราะห์แสง C 3
นี่คือการสังเคราะห์ด้วยแสงประเภทหนึ่งซึ่งผลิตภัณฑ์แรกคือสารประกอบสามคาร์บอน (C 3) การสังเคราะห์แสง C 3 ถูกค้นพบเร็วกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง C 4 (M.Calvin) เป็นการสังเคราะห์แสง C 3 ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นภายใต้หัวข้อ "Dark phase" คุณลักษณะเฉพาะของการสังเคราะห์ด้วยแสง C 3: 1) ตัวรับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์คือ RuBP 2) คาร์บอกซิเลชันของ RuBP ถูกเร่งโดย RuBP คาร์บอกซิเลส 3) อันเป็นผลมาจากคาร์บอกซิเลชันของ RuBP สารประกอบคาร์บอน 6 ตัวจะถูกสร้างขึ้นซึ่งสลายตัวเป็น FHA สองตัว FGK ถูกกู้คืนเป็นไฟล์ ไตรโอสฟอสเฟต (TF). ส่วนหนึ่งของ TF ไปสู่การสร้างใหม่ของ RiBP ส่วนหนึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นกลูโคส
1 - คลอโรพลาสต์; 2 - เพอรอกซิโซม; 3 - ไมโตคอนเดรีย
เป็นการดูดซับออกซิเจนและปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้นอยู่กับแสง เมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมาพบว่าออกซิเจนยับยั้งการสังเคราะห์แสง ตามที่ปรากฎสำหรับ RiBP carboxylase สารตั้งต้นไม่เพียง แต่เป็นคาร์บอนไดออกไซด์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงออกซิเจนด้วย:
О 2 + RuBP → phosphoglycolate (2C) + FHA (3C)
เอนไซม์เรียกว่า RiBP-oxygenase ออกซิเจนเป็นตัวยับยั้งการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ในการแข่งขัน กลุ่มฟอสเฟตจะถูกแยกออกและฟอสฮอกไกลคอลจะกลายเป็นไกลโคเลตเพื่อให้พืชใช้ประโยชน์ได้ มันเข้าสู่เพอรอกซิโซมซึ่งจะถูกออกซิไดซ์เป็นไกลซีน Glycine เข้าสู่ไมโตคอนเดรียซึ่งจะถูกออกซิไดซ์เป็นซีรีนในขณะที่คาร์บอนคงที่แล้วจะหายไปในรูปของ CO 2 เป็นผลให้โมเลกุลของไกลโคเลต (2C + 2C) สองโมเลกุลถูกแปลงเป็น FHA (3C) และ CO 2 Photorespiration ทำให้ผลผลิต C 3 ลดลง 30-40% ( C 3 - พืช - พืชที่มีลักษณะการสังเคราะห์ด้วยแสง C 3)
С 4 -photosynthesis - การสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งผลิตภัณฑ์แรกคือสารประกอบสี่คาร์บอน (С 4) ในปีพ. ศ. 2508 พบว่าในพืชบางชนิด (อ้อยข้าวโพดข้าวฟ่างลูกเดือย) ผลิตภัณฑ์แรกของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือกรดคาร์บอนสี่ตัว พืชดังกล่าวได้รับการตั้งชื่อ ด้วยพืช 4 ชนิด... ในปีพ. ศ. 2509 นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลีย Hatch and Slack แสดงให้เห็นว่าพืช C 4 แทบไม่มีการส่องแสงและมีประสิทธิภาพในการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดีกว่ามาก เส้นทางของการเปลี่ยนรูปคาร์บอนใน C 4 -plants เริ่มถูกเรียก โดย Hatch-Slack.
สำหรับพืช C 4 โครงสร้างพิเศษทางกายวิภาคของใบไม้เป็นลักษณะเฉพาะ การรวมกลุ่มของหลอดเลือดทั้งหมดล้อมรอบด้วยเซลล์สองชั้นด้านนอกคือเซลล์เมโซฟิลล์ส่วนด้านในคือเซลล์ที่หุ้มเซลล์ คาร์บอนไดออกไซด์ได้รับการแก้ไขในไซโทพลาสซึมของเซลล์เมโซฟิลล์ตัวรับคือ ฟอสโฟอีนอลไพรูเวต (FEP, 3C) อันเป็นผลมาจาก carboxylation ของ PEP จึงเกิด oxaloacetate (4C) กระบวนการเร่งปฏิกิริยา PEP- คาร์บอกซิเลส... ซึ่งแตกต่างจาก RuBP carboxylase PEP carboxylase มีความสัมพันธ์กับ CO 2 สูงและที่สำคัญที่สุดคือไม่มีปฏิกิริยากับ O 2 ในคลอโรพลาสต์ของเมโซฟิลล์มีธัญพืชจำนวนมากซึ่งปฏิกิริยาของเฟสแสงทำงานอยู่ ในคลอโรพลาสต์ของเซลล์ปลอกมีดจะเกิดปฏิกิริยาของเฟสมืด
Oxaloacetate (4C) ถูกเปลี่ยนเป็น malate ซึ่งถูกขนส่งผ่านพลาสโมเดสมาตาเข้าสู่เซลล์ฝัก ในที่นี้จะถูกทำให้เป็น decarboxylated และถูกทำให้แห้งเพื่อสร้าง pyruvate, CO 2 และ NADPH 2
Pyruvate จะกลับไปที่เซลล์ mesophyll และสร้างขึ้นใหม่โดยใช้พลังงาน ATP ใน PEP CO 2 ได้รับการแก้ไขอีกครั้งโดย RiBP carboxylase ด้วยการก่อตัวของ FHA การสร้าง PEP ใหม่ต้องใช้พลังงาน ATP ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้พลังงานมากกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง C 3 เกือบสองเท่า
ความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสง
ด้วยการสังเคราะห์ด้วยแสงทำให้คาร์บอนไดออกไซด์หลายพันล้านตันถูกดูดซับจากชั้นบรรยากาศทุก ๆ ปีออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาหลายพันล้านตัน การสังเคราะห์แสงเป็นแหล่งที่มาหลักของการสร้างสารอินทรีย์ ออกซิเจนก่อตัวเป็นชั้นโอโซนซึ่งปกป้องสิ่งมีชีวิตจากรังสีอัลตราไวโอเลตคลื่นสั้น
ในระหว่างการสังเคราะห์แสงใบไม้สีเขียวจะใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพียง 1% ที่ตกลงมาเท่านั้นผลผลิตคือสารอินทรีย์ประมาณ 1 กรัมต่อพื้นผิว 1 เมตร 2 ต่อชั่วโมง
การสังเคราะห์สารเคมี
การสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์จากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำไม่ได้เกิดจากพลังงานของแสง แต่เนื่องจากพลังงานของการเกิดออกซิเดชันของสารอนินทรีย์เรียกว่า การสังเคราะห์ทางเคมี... สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยเคมี ได้แก่ แบคทีเรียบางชนิด
แบคทีเรียไนตริไฟ แอมโมเนียถูกออกซิไดซ์เป็นไนตรัสแล้วเปลี่ยนเป็นกรดไนตริก (NH 3 → HNO 2 → HNO 3)
แบคทีเรียเหล็ก การเปลี่ยนเหล็กเฟอรัสเป็นออกไซด์ (Fe 2+ → Fe 3+)
แบคทีเรียกำมะถัน ออกซิไดซ์ไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นกำมะถันหรือกรดซัลฟิวริก (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4)
อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของสารอนินทรีย์พลังงานจะถูกปล่อยออกมาซึ่งแบคทีเรียจะถูกกักเก็บไว้ในรูปของพันธะ ATP ที่มีพลังงานสูง ATP ใช้สำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์ซึ่งดำเนินการในลักษณะเดียวกับปฏิกิริยาของการสังเคราะห์ด้วยแสงในช่วงมืด
แบคทีเรียสังเคราะห์ทางเคมีช่วยในการสะสมของแร่ธาตุในดินปรับปรุงความอุดมสมบูรณ์ของดินส่งเสริมการบำบัดน้ำเสีย ฯลฯ
ไปที่ การบรรยายหมายเลข 11 “ แนวคิดเรื่องการเผาผลาญ การสังเคราะห์โปรตีน "
ไปที่ การบรรยายครั้งที่ 13 "วิธีการแบ่งเซลล์ยูคาริโอต: ไมโทซิสไมโอซิสอะมิโทซิส"