פוטוסינתזה: מה זה, סיכום תהליכים ושלבים

ה פוטוסינתזה הוא תהליך פוטוכימי המורכב בייצור אנרגיה באמצעות אור שמש וקיבוע פחמן מהאטמוספרה.

ניתן לסכם זאת כתהליך הפיכת אנרגיית האור לאנרגיה כימית. התנאי פוטוסינתזה יש כמשמעות סינתזה על ידי אור.

תהליך פוטוסינתזה

ייצוג תהליך הפוטוסינתזה

פוטוסינתזה היא תהליך המתרחש בתוך תא הצמח, מ- CO₂ (פחמן דו חמצני) ו- H₂O (מים), כדרך לייצר גלוקוז.

צמחים, אצות, ציאאנובקטריה וחיידקים מסוימים מבצעים פוטוסינתזה ומכונים יצורי כלורופיל, מכיוון שיש להם פיגמנט חיוני לתהליך, כלורופיל.

פוטוסינתזה מתרחשת בכלורופלסטים, אברון הקיים רק בתאי הצמח, ושם נמצא הפיגמנט הכלורופיל, האחראי על הצבע הירוק של הצמחים.

ניתן להגדיר פיגמנטים ככל סוג של חומר המסוגל לספוג אור. כלורופיל הוא הפיגמנט החשוב ביותר בצמחים לספיגת אנרגיית הפוטונים במהלך הפוטוסינתזה. בתהליך משתתפים גם פיגמנטים אחרים, כמו קרוטנואידים ופיקובילינים.

לאור השמש הקליטה יש שתי פונקציות בסיסיות בתהליך הפוטוסינתזה:

• הגביר את העברת האלקטרונים באמצעות תרכובות שתורמות ומקבלות אלקטרונים.
• צור שיפוע פרוטון הדרוש לסינתזה של ATP (אדנוזין טריפוספט - אנרגיה).

קרא גם על חלקי צמח.

משוואת פוטוסינתזה

לסיכום, אנו יכולים להבהיר את תהליך הפוטוסינתזה באמצעות התגובה הבאה:

ה₂O ו- CO₂ הם החומרים הדרושים לביצוע פוטוסינתזה. מולקולות כלורופיל סופגות אור שמש ומפרקות את H₂O, משחרר O₂ ומימן. מימן מצטרף ל- CO₂ ויוצר גלוקוז.

תהליך זה מביא למשוואת הפוטוסינתזה הכללית, המייצגת תגובה להפחתת חמצון. ה₂O תורם אלקטרונים, כמו מימן, להפחתת CO₂ ליצירת פחמימות בצורת גלוקוז (C₆ה₁₂או₆).

עם זאת, התהליך הפוטוסינתטי מפורט יותר ומתרחש בשני שלבים, כפי שנראה בהמשך.

שלבי פוטוסינתזה

הפוטוסינתזה מחולקת לשני שלבים: שלב האור והשלב החשוך.

שלב אור

השלב הברור, הפוטוכימי או הזוהר, כהגדרתו של השם, הם תגובות המתרחשות רק בנוכחות אור ומתרחשות בלמלות התילאקואידים של הכלורופלסט.

ספיגת אור השמש והעברת האלקטרונים מתרחשות באמצעות מערכות פוטו, שהן קבוצות של חלבונים, פיגמנטים ומובילי אלקטרונים, היוצרים מבנה בקרומים התילקואידים של כלורופלסט.

ישנם שני סוגים של מערכות צילום, כל אחת עם כ -300 מולקולות כלורופיל:

• מערכת תמונות אני: מכיל מרכז תגובה P₇₀₀ וסופג בעדיפות אור באורך גל של 700 ננומטר.
• מערכת Photos II: מכיל מרכז תגובה P₆₈₀ וסופג אור רצוי באורך גל ב 680 ננומטר.

שתי מערכות הצילום מקושרות על ידי שרשרת הובלת אלקטרונים ופועלות באופן עצמאי אך משלים.

בשלב זה מתרחשים שני תהליכים חשובים: פוטופוספורילציה ופוטוליזה של מים.

מערכות הצילום אחראיות על ספיגת האור והובלת האלקטרונים לייצור אנרגיה

פוטוסוספורילציה

פוטוסוספורילציה היא בעצם תוספת של P (זרחן) ל- ADP (Adenosine diphosphate), וכתוצאה מכך נוצרת ATP.

ברגע שבו פוטון אור נלכד על ידי מולקולות האנטנה של מערכות הצילום, האנרגיה שלו מועברת למרכזי התגובה, שם נמצא כלורופיל. כאשר הפוטון פוגע בכלורופיל, הוא הופך להיות אנרגטי ומשחרר אלקטרונים שעברו קולטנים שונים ונוצרו, יחד עם H₂O, ATP ו- NADPH.

פוטוסוספורילציה יכולה להיות משני סוגים:

• פוטוספורילציה אסיצילית: האלקטרונים ששוחררו על ידי כלורופיל אינם חוזרים אליו, אלא למערכת הצילום האחרת. מייצר ATP ו- NADPH.
• פוטו זרחני מחזורי: האלקטרונים חוזרים לאותו כלורופיל ששחרר אותם. צרו ATP בלבד.

פוטוליזת מים

פוטוליזה של מים מורכבת מפירוק מולקולת המים באנרגיית אור השמש. האלקטרונים המשוחררים בתהליך משמשים להחלפת האלקטרונים שאבדו כלורופיל במערכת פוטוס II ולהפקת החמצן שאנו נושמים.

המשוואה הכללית של פוטוליזה או תגובת היל מתוארת כדלקמן:

לפיכך, מולקולת המים היא התורמת האלקטרונית האולטימטיבית. ה- ATP וה- NADPH שנוצרו ישמשו לסינתזה של פחמימות מ- CO₂. עם זאת, זה יקרה בשלב הבא, השלב האפל.

שלב אפל

השלב החשוך, מחזור הפנטוז או מחזור קלווין יכולים להתרחש בהיעדר אור ונוכחות וקורה בסטרומה הכלורופלסטית. בשלב זה ייווצר גלוקוז מ- CO₂. לפיכך, בעוד שלב האור מספק אנרגיה, בשלב האפל מתקיים קיבוע פחמן.

תכנית מחזור קלווין

בדוק סיכום כיצד מתרחש מחזור קלווין:

1. קיבוע פחמן

• בכל סיבוב של המחזור, מולקולת CO₂ מתווסף. עם זאת, לוקח שש סיבובים שלמים כדי לייצר שתי מולקולות של גליצראלדהיד 3-פוספט ומולקולה אחת של גלוקוז.
• שש מולקולות של ריבולוז דיפוספט (RuDP), עם חמישה פחמנים, נקשרות לשש מולקולות של CO₂, המייצרת 12 מולקולות של חומצה פוספוגליצרית (PGA), עם שלוש פחמנים.

2. ייצור תרכובות אורגניות

• 12 המולקולות של חומצה פוספוגליצרית (PGAL) מצטמצמות ל- 12 מולקולות של אלדהיד פוספוגליצרי.

3. התחדשות של ריבולוז דיפוספט

• מתוך 12 המולקולות של אלדהיד פוספוגליצרי, 10 משתלבות זו בזו ויוצרות 6 מולקולות של RuDP.
• שתי מולקולות האלדהיד הפוספוגליצריות שנותרו משמשות ליזום סינתזה של עמילן ורכיבים תאיים אחרים.

הגלוקוז המיוצר בתום הפוטוסינתזה מתפרק והאנרגיה המשתחררת מאפשרת לבצע חילוף חומרים בתאים. תהליך פירוק הגלוקוז הוא נשימה תאית.

החשיבות של פוטוסינתזה

פוטוסינתזה היא התהליך הבסיסי של הפיכת אנרגיה בביוספרה. הוא תומך בבסיס שרשרת המזון, בה האכלת חומרים אורגניים שמספקים צמחים ירוקים תייצר מזון ליצורים הטרוטרופיים.

לפיכך, לפוטוסינתזה חשיבותה מבוססת על שלושה גורמים עיקריים:

• מקדם לכידת CO₂ אטמוספרי;
• מבצע את חידוש ה- O₂ אטמוספרי;
• זה מניע את זרימת החומר והאנרגיה במערכות אקולוגיות.

פוטוסינתזה וכימוסינתזה

שלא כמו פוטוסינתזה הדורשת אור להתרחש, כימוסינתזה קורה בהיעדר אור. זה מורכב בייצור של חומרים אורגניים מחומרים מינרליים.

זהו בעצם תהליך דו-שלבי המבוצע רק על ידי חיידקים אוטוטרופיים להשגת אנרגיה. בשלב הראשון מחמצנים חומרים אנאורגניים ובשלב השני פחמן דו חמצני עובר הפחתה, מה שמוביל לייצור תרכובות אורגניות.

שלב ראשון: תרכובת אנאורגנית + O₂ → תרכובות אנאורגניות מחומצנות + אנרגיה כימית
שלב שני: CO₂ + H₂O + אנרגיה כימית → תרכובות אורגניות + O₂

למידע נוסף, קרא גם:

• מחזור הפחמן
• מחזור חמצן
• בוטניקה: חקר הצמחים