8.1: סקירה כללית של פוטוסינתזה

Last updated

Oct 31, 2023
Page ID
205690
Save as PDF
- 8.0: הקדמה לפוטוסינתזה
- 8.2: התגובות תלויות האור של הפוטוסינתזה

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

מיומנויות לפיתוח

הסבר את הרלוונטיות של פוטוסינתזה ליצורים חיים אחרים
תאר את המבנים העיקריים המעורבים בפוטוסינתזה
זהה את המצעים ותוצרי הפוטוסינתזה
לסכם את תהליך הפוטוסינתזה

פוטוסינתזה חיונית לכל החיים על פני כדור הארץ; גם צמחים וגם בעלי חיים תלויים בכך. זהו התהליך הביולוגי היחיד שיכול ללכוד אנרגיה שמקורה בחלל החיצון (אור השמש) ולהמיר אותה לתרכובות כימיות (פחמימות) שכל אורגניזם משתמש בהן בכדי להניע את חילוף החומרים שלו. בקצרה, האנרגיה של אור השמש נלכדת ומשמשת להמריץ אלקטרונים, המאוחסנים אז בקשרים הקוולנטיים של מולקולות הסוכר. כמה ארוכים ויציבים אותם קשרים קוולנטיים? האנרגיה המופקת כיום על ידי שריפת פחם ומוצרי נפט מייצגת אנרגיית אור שמש שנלכדה ואוחסנה בפוטוסינתזה לפני כמעט 200 מיליון שנה.

צמחים, אצות וקבוצת חיידקים הנקראים ציאנובקטריה הם האורגניזמים היחידים המסוגלים לבצע פוטוסינתזה (איור). $\PageIndex{1}$ מכיוון שהם משתמשים באור לייצור מזון משלהם, הם נקראים פוטואוטוטרופים (תרתי משמע, "מזינים עצמיים באמצעות אור"). אורגניזמים אחרים, כגון בעלי חיים, פטריות ורוב החיידקים האחרים, נקראים הטרוטרופים ("מזינים אחרים"), מכיוון שהם חייבים להסתמך על הסוכרים המיוצרים על ידי אורגניזמים פוטוסינתטיים לצרכי האנרגיה שלהם. קבוצה שלישית מעניינת מאוד של חיידקים מסנתזת סוכרים, לא באמצעות אנרגיית אור השמש, אלא על ידי הפקת אנרגיה מתרכובות כימיות אנאורגניות; לפיכך, הם מכונים כימואוטוטרופים.

תמונה א מראה עלה שרך. תמונה ב 'מציגה אצות עבות וירוקות הגדלות על מים. מיקרוגרף c מראה ציאנובקטריה, שהם מוטות ירוקים באורך של כ-10 מיקרון. תמונה D מראה עשן שחור נשפך מתוך פתח ים עמוק מכוסה תולעים אדומות. מיקרוגרף E מציג חיידקים בצורת מוט באורך של כ-1.5 מיקרון. — איור $\PageIndex{1}$ : פוטואוטוטרופים הכוללים (א) צמחים, (ב) אצות ו- (ג) ציאנובקטריה מסנתזים את התרכובות האורגניות שלהם באמצעות פוטוסינתזה באמצעות אור השמש כמקור אנרגיה. ציאנובקטריה ואצות פלנקטוניות יכולות לצמוח על פני שטחים עצומים במים, ולעתים לכסות לחלוטין את פני השטח. ב (ד) פתח ים עמוק, כימואוטוטרופים, כגון אלה (ה) חיידקים תרמופיליים, לוכדים אנרגיה מתרכובות אנאורגניות לייצור תרכובות אורגניות. למערכת האקולוגית המקיפה את פתחי האוורור יש מגוון מגוון של בעלי חיים, כגון תולעי צינור, סרטנים ותמנונים השואבים אנרגיה מהחיידקים. (אשראי א: שינוי העבודה על ידי סטיב הילברנד, שירות הדגים וחיות הבר בארה"ב; אשראי ב: שינוי עבודה על ידי "אאוטרופיקציה והיפוקסיה" /פליקר; אשראי ג: שינוי עבודה על ידי נאס"א; אשראי ד: אוניברסיטת וושינגטון, NOAA; אשראי ה: שינוי עבודות על ידי מארק אמנד, מרכז המחקר התת ימי בחוף המערבי ואזורי הקוטב, UAF, NOAA)

החשיבות של הפוטוסינתזה היא לא רק שהיא יכולה ללכוד את אנרגיית אור השמש. לטאה שמשקיעה את עצמה ביום קר יכולה להשתמש באנרגיית השמש כדי להתחמם. הפוטוסינתזה חיונית מכיוון שהיא התפתחה כדרך לאגור את האנרגיה בקרינת השמש (החלק ה"צילום") כאלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה בקשרי פחמן-פחמן של מולקולות פחמימות (החלק "-סינתזה"). פחמימות אלו הן מקור האנרגיה שהטרוטרופים משתמשים בו כדי להניע את הסינתזה של ATP באמצעות נשימה. לכן, הפוטוסינתזה מפעילה 99 אחוז מהמערכות האקולוגיות של כדור הארץ. כאשר טורף עליון, כמו זאב, טורף צבי (איור $\PageIndex{2}$ ), הזאב נמצא בקצה נתיב אנרגיה שעבר מתגובות גרעיניות על פני השמש, לאור, לפוטוסינתזה, לצמחייה, לצבי, ולבסוף לזאב.

בתמונה נראים צבאים רצים דרך דשא גבוה ליד יער. — איור $\PageIndex{2}$ : האנרגיה המאוחסנת במולקולות פחמימות מפוטוסינתזה עוברת בשרשרת המזון. הטורף שאוכל את הצבאים האלה מקבל חלק מהאנרגיה שמקורה בצמחייה הפוטוסינתטית שהצבי צרך. (אשראי: שינוי העבודה על ידי סטיב ואנרייפר, שירות הדגים וחיות הבר בארה"ב)

מבנים עיקריים וסיכום הפוטוסינתזה

פוטוסינתזה היא תהליך רב-שלבי הדורש אור שמש, פחמן דו חמצני (דל באנרגיה) ומים כמצעים (איור $\PageIndex{3}$ ). לאחר השלמת התהליך הוא משחרר חמצן ומייצר גליצראלדהיד-3-פוספט (GA3P), מולקולות פחמימות פשוטות (עתירות אנרגיה) שניתן להמיר לאחר מכן לגלוקוז, סוכרוז או כל אחת מעשרות מולקולות סוכר אחרות. מולקולות הסוכר הללו מכילות אנרגיה ואת הפחמן המומרץ שכל היצורים החיים צריכים כדי לשרוד.

תמונה של עץ. החצים מצביעים על כך שהעץ משתמש בפחמן דו חמצני, מים ואור שמש לייצור סוכרים וחמצן. — איור $\PageIndex{3}$ : פוטוסינתזה משתמשת באנרגיה סולארית, פחמן דו חמצני ומים כדי לייצר פחמימות אוגרות אנרגיה. חמצן נוצר כתוצר פסולת של פוטוסינתזה.

להלן המשוואה הכימית לפוטוסינתזה (איור $\PageIndex{4}$ ):

משוואת הפוטוסינתזה מוצגת. על פי משוואה זו, שש פחמן דו חמצני ושש מולקולות מים מייצרות מולקולת סוכר אחת ושש מולקולות חמצן. מולקולת הסוכר מורכבת משישה פחמנים, שנים עשר מימנים ושישה חמצן. אור השמש משמש כמקור אנרגיה. — איור $\PageIndex{4}$ : המשוואה הבסיסית לפוטוסינתזה היא פשוטה באופן מטעה. במציאות, התהליך מתרחש בשלבים רבים הכוללים מגיבים ומוצרים ביניים. גלוקוז, מקור האנרגיה העיקרי בתאים, עשוי משני GA3Ps של שלושה פחמנים.

למרות שהמשוואה נראית פשוטה, השלבים הרבים המתרחשים במהלך הפוטוסינתזה הם למעשה מורכבים למדי. לפני שלומדים את הפרטים כיצד פוטואוטוטרופים הופכים את אור השמש למזון, חשוב להכיר את המבנים המעורבים.

בצמחים, פוטוסינתזה מתרחשת בדרך כלל בעלים, המורכבים מכמה שכבות של תאים. תהליך הפוטוסינתזה מתרחש בשכבה אמצעית הנקראת מזופיל. חילופי הגזים של פחמן דו חמצני וחמצן מתרחשים דרך פתחים קטנים ומווסתים הנקראים סטומטה (יחיד: סטומה), הממלאים תפקידים גם בוויסות חילופי הגזים ומאזן המים. הסטומטות ממוקמות בדרך כלל בחלק התחתון של העלה, מה שעוזר למזער את איבוד המים. כל סטומה מוקפת בתאי שמירה המווסתים את הפתיחה והסגירה של הסטומטה על ידי נפיחות או התכווצות בתגובה לשינויים אוסמוטיים.

בכל האיקריוטים האוטוטרופיים, הפוטוסינתזה מתרחשת בתוך אברון הנקרא כלורופלסט. עבור צמחים, תאים המכילים כלורופלסט קיימים במזופיל. לכלורופלסטים מעטפת קרום כפולה (המורכבת מממברנה חיצונית וממברנה פנימית). בתוך הכלורופלסט מוערמים מבנים בצורת דיסק הנקראים תילקואידים. בקרום התילקואיד מוטבע כלורופיל, פיגמנט (מולקולה הקולטת אור) האחראי לאינטראקציה הראשונית בין אור לחומר צמחי, וחלבונים רבים המרכיבים את שרשרת הובלת האלקטרונים. הממברנה התילקואידית מקיפה חלל פנימי הנקרא לומן התילקואיד. כפי שמוצג באיור $\PageIndex{5}$ , ערימה של תילקואידים נקראת גרנום, והחלל המלא בנוזל המקיף את הגרנום נקרא סטרומה או "מיטה" (אין להתבלבל עם סטומה או "פה", פתח באפידרמיס העלה).

חיבור אמנות

איור זה מציג כלורופלסט, בעל קרום חיצוני וקרום פנימי. החלל בין הממברנות החיצוניות והפנימיות נקרא החלל הבין-ממברני. בתוך הממברנה הפנימית נמצאים מבנים שטוחים דמויי פנקייק הנקראים תילקואידים. התילקואידים יוצרים ערימות הנקראות גרנה. הנוזל בתוך הממברנה הפנימית נקרא סטרומה, והחלל בתוך התילקואיד נקרא לומן התילקואיד. — איור $\PageIndex{5}$ : פוטוסינתזה מתרחשת בכלורופלסטים, בעלי קרום חיצוני וקרום פנימי. ערימות של תילקואידים הנקראות גרנה יוצרות שכבת קרום שלישית.

ביום חם ויבש, צמחים סוגרים את הסטומטה שלהם כדי לחסוך במים. איזו השפעה תהיה לכך על הפוטוסינתזה?

שני חלקי הפוטוסינתזה

הפוטוסינתזה מתרחשת בשני שלבים עוקבים: התגובות התלויות באור והתגובות העצמאיות לאור. בתגובות תלויות האור, אנרגיה מאור השמש נספגת בכלורופיל ואנרגיה זו מומרת לאנרגיה כימית מאוחסנת. בתגובות הבלתי תלויות באור, האנרגיה הכימית שנקצרת במהלך התגובות התלויות באור מניע את הרכבת מולקולות הסוכר מפחמן דו חמצני. לכן, למרות שהתגובות הבלתי תלויות באור אינן משתמשות באור כמגיב, הן דורשות את תוצרי התגובות התלויות באור כדי לתפקד. בנוסף, מספר אנזימים של התגובות הבלתי תלויות באור מופעלים על ידי אור. התגובות התלויות באור מנצלות מולקולות מסוימות כדי לאחסן זמנית את האנרגיה: אלה מכונים נושאי אנרגיה. נושאי האנרגיה המעבירים אנרגיה מתגובות תלויות אור לתגובות בלתי תלויות באור יכולים להיחשב כ"מלאים "מכיוון שהם עשירים באנרגיה. לאחר שחרור האנרגיה, נושאי האנרגיה ה"ריקים "חוזרים לתגובה התלויה באור כדי להשיג יותר אנרגיה. איור $\PageIndex{6}$ ממחיש את הרכיבים בתוך הכלורופלסט שבו מתרחשות התגובות תלויות האור ובלתי תלויות האור.

איור זה מציג כלורופלסט עם קרום חיצוני, קרום פנימי וערימות של ממברנות בתוך הממברנה הפנימית הנקראות תילקואידים. הערימה כולה נקראת גראנום. בתגובות האור, אנרגיה מאור השמש מומרת לאנרגיה כימית בצורה של ATP ו- NADPH. בתהליך משתמשים במים ומייצרים חמצן. אנרגיה מ- ATP ו- NADPH משמשים להפעלת מחזור קלווין, המייצר GA3P מפחמן דו חמצני. ATP מתפרק ל-ADP ו-Pi, ו-NADPH מתחמצן ל-NADP+. המחזור מסתיים כאשר תגובות האור ממירות מולקולות אלו בחזרה ל-ATP ו-NADPH. — איור $\PageIndex{6}$ : הפוטוסינתזה מתרחשת בשני שלבים: תגובות תלויות אור ומחזור קלווין. תגובות תלויות אור, המתרחשות בקרום התילקואיד, משתמשות באנרגיית אור לייצור ATP ו- NADPH. _{מחזור קלווין, המתרחש בסטרומה, משתמש באנרגיה המופקת מתרכובות אלו כדי ליצור GA3P מ-CO 2.}

קישור ללמידה

לחץ על הקישור למידע נוסף על פוטוסינתזה.

חיבור יומיומי: פוטוסינתזה במכולת

תמונה מציגה אנשים שקונים במכולת. — איור $\PageIndex{7}$ : מזונות שבני אדם צורכים מקורם בפוטוסינתזה. (קרדיט: Associação ברסיליירה דה סופרמרקדו)

חנויות מכולת גדולות בארצות הברית מאורגנות במחלקות, כגון מוצרי חלב, בשרים, תוצרת, לחם, דגנים וכדומה. כל מעבר (איור $\PageIndex{7}$ ) מכיל מאות, אם לא אלפי, מוצרים שונים ללקוחות לקנות ולצרוך.

למרות שיש מגוון גדול, כל פריט מקשר חזרה לפוטוסינתזה. בשרים וחלב מקשרים, מכיוון שבעלי החיים הוזנו ממזונות צמחיים. הלחמים, הדגנים והפסטות מגיעים בעיקר מדגנים עמילניים, שהם זרעים של צמחים תלויי פוטוסינתזה. מה עם קינוחים ומשקאות? כל המוצרים הללו מכילים סוכר - סוכרוז הוא מוצר צמחי, דו סוכר, מולקולת פחמימות, הבנויה ישירות מפוטוסינתזה. יתר על כן, פריטים רבים נגזרים פחות מצמחים: לדוגמה, מוצרי נייר הם בדרך כלל מוצרים צמחיים, ופלסטיקים רבים (בשפע כמוצרים ואריזות) נגזרים מאצות. כמעט כל תבלין וטעם במעבר התבלינים הופק על ידי צמח כעלה, שורש, קליפה, פרח, פרי או גבעול. בסופו של דבר, הפוטוסינתזה מתחברת לכל ארוחה ולכל מזון שאדם צורך.

סיכום

תהליך הפוטוסינתזה שינה את החיים על פני כדור הארץ. על ידי רתימת אנרגיה מהשמש, הפוטוסינתזה התפתחה כדי לאפשר ליצורים חיים גישה לכמויות אדירות של אנרגיה. בגלל הפוטוסינתזה, יצורים חיים קיבלו גישה לאנרגיה מספקת שאפשרה להם לבנות מבנים חדשים ולהשיג את המגוון הביולוגי הניכר כיום.

רק אורגניזמים מסוימים, הנקראים פוטואוטוטרופים, יכולים לבצע פוטוסינתזה; הם דורשים נוכחות של כלורופיל, פיגמנט מיוחד הסופג חלקים מסוימים מהספקטרום הנראה ויכול ללכוד אנרגיה מאור השמש. הפוטוסינתזה משתמשת בפחמן דו חמצני ובמים כדי להרכיב מולקולות פחמימות ולשחרר חמצן כתוצר פסולת לאטמוספירה. לאוטוטרופים אוקריוטיים, כמו צמחים ואצות, יש אברונים הנקראים כלורופלסטים בהם מתרחשת פוטוסינתזה, ועמילן מצטבר. בפרוקריוטים, כגון ציאנובקטריה, התהליך פחות מקומי ומתרחש בתוך ממברנות מקופלות, הרחבות של קרום הפלזמה ובציטופלזמה.

חיבורי אמנות

איור $\PageIndex{5}$ : ביום חם ויבש, צמחים סוגרים את הסטומטה שלהם כדי לחסוך במים. איזו השפעה תהיה לכך על הפוטוסינתזה?

תשובה: רמות הפחמן הדו חמצני (מצע פוטוסינתטי הכרחי) יירדו מיד. כתוצאה מכך, קצב הפוטוסינתזה יהיה מעוכב.

רשימת מילים

כימואוטוטרוף: אורגניזם שיכול לבנות מולקולות אורגניות באמצעות אנרגיה המופקת מכימיקלים אנאורגניים במקום אור שמש

כלורופלסט: אברון בו מתרחשת פוטוסינתזה

גראנום: ערימת תילקואידים הממוקמת בתוך כלורופלסט

הטרוטרוף: אורגניזם הצורך חומרים אורגניים או אורגניזמים אחרים למזון

תגובה תלויה באור: השלב הראשון של הפוטוסינתזה שבו אורכי גל מסוימים של האור הנראה נספגים ליצירת שתי מולקולות נושאות אנרגיה (ATP ו- NADPH)

תגובה בלתי תלויה באור: השלב השני של הפוטוסינתזה, אם כי פחמן דו חמצני משמש לבניית מולקולות פחמימות באמצעות אנרגיה מ- ATP ו- NADPH

מזופיל: שכבה אמצעית של תאים עשירים בכלורופיל בעלה

פוטואוטוטרוף: אורגניזם המסוגל לייצר תרכובות אורגניות משלו מאור השמש

פיגמנט: מולקולה המסוגלת לספוג אורכי גל מסוימים של אור ולשקף אחרים (מה שמסביר את צבעו)

סטומה: פתח המסדיר חילופי גזים ואידוי מים בין העלים לסביבה, ממוקם בדרך כלל בצד התחתון של העלים

סטרומה: חלל מלא נוזלים המקיף את הגרנה בתוך כלורופלסט שבו מתרחשות התגובות הבלתי תלויות באור של פוטוסינתזה

תילקואיד: מבנה בצורת דיסק, קשור לממברנה בתוך כלורופלסט שבו מתרחשות התגובות תלויות האור של הפוטוסינתזה; ערימות של תילקואידים נקראות גרנה

לומן תילקואיד: חלל מימי הקשור בקרום תילקואיד שבו פרוטונים מצטברים במהלך הובלת אלקטרונים מונעת אור