Skip to main content
Global

5.2: התגובות תלויות האור של הפוטוסינתזה

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208912

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    כיצד ניתן להשתמש באור להכנת אוכל? קל לחשוב על אור כמשהו שקיים ומאפשר לאורגניזמים חיים, כמו בני אדם, לראות, אך אור הוא סוג של אנרגיה. כמו כל אנרגיה, האור יכול לנוע, לשנות צורה ולהירתם לעבודה. במקרה של פוטוסינתזה, אנרגיית האור הופכת לאנרגיה כימית, בה משתמשים אוטוטרופים לבניית מולקולות פחמימות. עם זאת, אוטוטרופים משתמשים רק במרכיב ספציפי של אור השמש (איור\(\PageIndex{1}\)).

    תמונה מציגה צללית של צמח דשא נגד השמש בשקיעה.
    איור\(\PageIndex{1}\): אוטוטרופים יכולים ללכוד אנרגיית אור מהשמש, ולהמיר אותה לאנרגיה כימית המשמשת לבניית מולקולות מזון. (קרדיט: שינוי עבודות מאת גרי אטוול, שירות הדגים וחיות הבר האמריקאי)

    מושג בפעולה

    צפו בתהליך הפוטוסינתזה בתוך עלה בסרטון זה.

    מהי אנרגיית אור?

    השמש פולטת כמות עצומה של קרינה אלקטרומגנטית (אנרגיה סולארית). בני אדם יכולים לראות רק חלק קטן מהאנרגיה הזו, המכונה "אור גלוי". ניתן לתאר ולמדוד את אופן תנועת האנרגיה הסולארית כגלים. מדענים יכולים לקבוע את כמות האנרגיה של גל על ידי מדידת אורך הגל שלו, המרחק בין שתי נקודות רצופות ודומות בסדרת גלים, כגון מפסגה לפסגה או שוקת לשוקת (איור\(\PageIndex{2}\)).

    איור זה מציג שני גלים. המרחק בין הפסגות (מוצג כחלק העליון, בניגוד לשוקת בתחתית) הוא אורך הגל.
    איור\(\PageIndex{2}\): אורך הגל של גל בודד הוא המרחק בין שתי נקודות רצופות לאורך הגל.

    אור גלוי מהווה רק אחד מסוגים רבים של קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת מהשמש. הספקטרום האלקטרומגנטי הוא הטווח של כל אורכי הגל האפשריים של הקרינה (איור\(\PageIndex{3}\)). כל אורך גל מתאים לכמות שונה של אנרגיה הנישאת.

    איור זה מפרט את סוגי הקרינה האלקטרומגנטית לפי סדר הירידה באורך הגל. אלה קרני גמא, צילומי רנטגן, אולטרה סגול, גלוי, אינפרא אדום ורדיו
    איור\(\PageIndex{3}\): השמש פולטת אנרגיה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית. קרינה זו קיימת באורכי גל שונים, שלכל אחד מהם יש אנרגיה אופיינית משלו. אור גלוי הוא סוג אחד של אנרגיה הנפלטת מהשמש.

    לכל סוג של קרינה אלקטרומגנטית יש טווח אופייני של אורכי גל. ככל שאורך הגל ארוך יותר (או ככל שהוא נראה מתוח יותר), כך נישא פחות אנרגיה. גלים קצרים ומהודקים נושאים את מירב האנרגיה. זה אולי נראה לא הגיוני, אבל חשבו על זה במונחים של חתיכת חבל נע. נדרש מאמץ מועט על ידי אדם להזיז חבל בגלים ארוכים ורחבים. כדי לגרום לחבל לנוע בגלים קצרים והדוקים, אדם יצטרך להפעיל אנרגיה משמעותית יותר.

    השמש פולטת (איור\(\PageIndex{3}\)) מגוון רחב של קרינה אלקטרומגנטית, כולל קרני רנטגן וקרני אולטרה סגול (UV). הגלים בעלי האנרגיה הגבוהה יותר מסוכנים לדברים חיים; לדוגמה, צילומי רנטגן וקרני UV עלולים להזיק לבני אדם.

    קליטת אור

    אנרגיית האור נכנסת לתהליך הפוטוסינתזה כאשר פיגמנטים סופגים את האור. בצמחים, מולקולות פיגמנט סופגות רק אור גלוי לפוטוסינתזה. האור הנראה על ידי בני האדם כאור לבן קיים למעשה בקשת צבעים. עצמים מסוימים, כמו פריזמה או טיפת מים, מפזרים אור לבן כדי לחשוף צבעים אלה לעין האנושית. חלק האור הנראה של הספקטרום האלקטרומגנטי נתפס על ידי העין האנושית כקשת צבעים, כאשר לסגול וכחול אורכי גל קצרים יותר ולכן אנרגיה גבוהה יותר. בקצה השני של הספקטרום לכיוון אדום, אורכי הגל ארוכים יותר ובעלי אנרגיה נמוכה יותר.

    הבנת פיגמנטים

    קיימים סוגים שונים של פיגמנטים, וכל אחד מהם סופג רק אורכי גל מסוימים (צבעים) של אור גלוי. פיגמנטים משקפים את צבע אורכי הגל שהם לא יכולים לספוג.

    כל האורגניזמים הפוטוסינתטיים מכילים פיגמנט הנקרא כלורופיל א, שבני אדם רואים בו את הצבע הירוק הנפוץ הקשור לצמחים. כלורופיל א סופג אורכי גל משני קצות הספקטרום הנראה (כחול ואדום), אך לא מירוק. מכיוון שהירוק משתקף, הכלורופיל נראה ירוק.

    סוגי פיגמנטים אחרים כוללים כלורופיל b (הסופג אור כחול ואדום-כתום) ואת הקרוטנואידים. ניתן לזהות כל סוג של פיגמנט לפי התבנית הספציפית של אורכי הגל שהוא סופג מאור גלוי, שהוא ספקטרום הספיגה שלו.

    לאורגניזמים פוטוסינתטיים רבים יש תערובת של פיגמנטים; ביניהם, האורגניזם יכול לספוג אנרגיה ממגוון רחב יותר של אורכי גל של אור גלוי. לא לכל האורגניזמים הפוטוסינתטיים יש גישה מלאה לאור השמש. חלק מהאורגניזמים גדלים מתחת למים שבהם עוצמת האור יורדת עם העומק, ואורכי גל מסוימים נספגים במים. אורגניזמים אחרים גדלים בתחרות על האור. צמחים על רצפת יער הגשם חייבים להיות מסוגלים לספוג כל פיסת אור שעוברת, מכיוון שהעצים הגבוהים יותר חוסמים את רוב אור השמש (איור\(\PageIndex{4}\)).

    תמונה זו מציגה צמחייה ביער.
    איור\(\PageIndex{4}\): צמחים שגדלים בדרך כלל בצל נהנים ממגוון פיגמנטים סופגי אור. כל פיגמנט יכול לספוג אורכי גל שונים של אור, מה שמאפשר לצמח לספוג כל אור שעובר בעצים הגבוהים יותר. (קרדיט: ג'ייסון הולינגר)

    כיצד פועלות תגובות תלויות אור

    המטרה הכוללת של התגובות התלויות באור היא להמיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית. אנרגיה כימית זו תשמש את מחזור קלווין כדי לתדלק את הרכבת מולקולות הסוכר.

    התגובות התלויות באור מתחילות בקבוצה של מולקולות פיגמנט וחלבונים הנקראים מערכת צילום. מערכות צילום קיימות בממברנות של תילקואידים. מולקולת פיגמנט במערכת הצילום סופגת פוטון אחד, כמות או "חבילה" של אנרגיית אור, בכל פעם.

    פוטון של אנרגיית אור נע עד שהוא מגיע למולקולה של כלורופיל. הפוטון גורם לאלקטרון בכלורופיל להיות "נרגש". האנרגיה הניתנת לאלקטרון מאפשרת לו להשתחרר מאטום של מולקולת הכלורופיל. לכן אומרים שכלורופיל "תורם" אלקטרון (איור\(\PageIndex{5}\)).

    כדי להחליף את האלקטרון בכלורופיל, מולקולת מים מפוצלת. פיצול זה משחרר אלקטרון ומביא ליצירת חמצן (O 2) ויוני מימן (H +) בחלל התילקואיד. מבחינה טכנית, כל שבירה של מולקולת מים משחררת זוג אלקטרונים, ולכן יכולה להחליף שני אלקטרונים שנתרמו.

    איור זה מציג מערכת צילום II, שיש לה קומפלקס קצירת אור המקיף את מרכז התגובה. מולקולות כלורופיל נמצאות במתחם קצירת האור. במרכז התגובה, אלקטרון נרגש מועבר למקבל האלקטרונים הראשי. מולקולת מים מפוצלת ומשחררת חמצן אחד, שני פרוטונים ואלקטרון. האלקטרון מחליף את זה שנתרם למקבל האלקטרונים הראשי.
    איור\(\PageIndex{5}\): אנרגיית האור נספגת על ידי מולקולת כלורופיל ומועברת לאורך מסלול למולקולות כלורופיל אחרות. האנרגיה מגיעה לשיאה במולקולה של כלורופיל שנמצאת במרכז התגובה. האנרגיה "מרגשת" את אחד האלקטרונים שלה מספיק כדי לעזוב את המולקולה ולהעביר אותה למקבל אלקטרונים ראשוני סמוך. מולקולת מים מתפצלת כדי לשחרר אלקטרון, הדרוש להחלפת זה שנתרם. יוני חמצן ומימן נוצרים גם מפיצול המים.

    החלפת האלקטרון מאפשרת לכלורופיל להגיב לפוטון אחר. מולקולות החמצן המיוצרות כתוצרי לוואי מוצאות את דרכן לסביבה הסובבת. יוני המימן ממלאים תפקידים קריטיים בשאר התגובות התלויות באור.

    זכור כי מטרת התגובות התלויות באור היא להמיר אנרגיה סולארית לנשאים כימיים שישמשו במחזור קלווין. באיקריוטים ובכמה פרוקריוטים קיימות שתי מערכות צילום. הראשון נקרא photosystem II, אשר נקרא על שם סדר גילויו ולא על סדר הפונקציה.

    לאחר פגיעת הפוטון, מערכת הצילום II מעבירה את האלקטרון החופשי לראשון בסדרת חלבונים בתוך הממברנה התילקואידית הנקראת שרשרת הובלת האלקטרונים. כאשר האלקטרון עובר לאורך חלבונים אלה, אנרגיה מהאלקטרון מתדלקת משאבות ממברנה המעבירות באופן פעיל יוני מימן כנגד שיפוע הריכוז שלהם מהסטרומה לחלל התילקואיד. זה די מקביל לתהליך המתרחש במיטוכונדריון שבו שרשרת הובלת אלקטרונים שואבת יוני מימן מהסטרומה המיטוכונדריאלית על פני הממברנה הפנימית ואל החלל הבין-ממברני, ויוצרת שיפוע אלקטרוכימי. לאחר השימוש באנרגיה, האלקטרון מתקבל על ידי מולקולת פיגמנט במערכת הצילום הבאה, הנקראת פוטוסיסטם I (איור). \(\PageIndex{6}\)

    איור זה מציג את המרכיבים המעורבים בתגובות האור. Photosystem II משתמשת באור כדי לרגש אלקטרון, המועבר לשרשרת הובלת האלקטרונים של כלורופלסט. האלקטרון מועבר לאחר מכן למערכת הצילום I ול- NADP+ רדוקטאז, מה שהופך את NADPH. תהליך זה יוצר שיפוע אלקטרוכימי המשמש את האנזים סינתאז ATP לייצור ATP.
    איור\(\PageIndex{6}\): ממערכת צילום II, האלקטרון עובר לאורך סדרה של חלבונים. מערכת הובלת אלקטרונים זו משתמשת באנרגיה מהאלקטרון כדי לשאוב יוני מימן אל פנים התילקואיד. מולקולת פיגמנט במערכת הצילום I מקבלת את האלקטרון.

    יצירת נושא אנרגיה: ATP

    בתגובות תלויות האור, האנרגיה הנספגת באור השמש מאוחסנת על ידי שני סוגים של מולקולות נושאות אנרגיה: ATP ו- NADPH. האנרגיה שמולקולות אלה נושאות מאוחסנת בקשר המחזיק אטום בודד למולקולה. עבור ATP זהו אטום פוספט, ועבור NADPH זהו אטום מימן. נזכיר כי NADH הייתה מולקולה דומה שהובילה אנרגיה במיטוכונדריון ממחזור חומצת הלימון לשרשרת הובלת האלקטרונים. כאשר מולקולות אלה משחררות אנרגיה למחזור קלווין, כל אחת מהן מאבדת אטומים כדי להפוך למולקולות האנרגיה הנמוכה ADP ו- NADP +.

    הצטברות יוני מימן בחלל התילקואיד יוצרת שיפוע אלקטרוכימי בגלל ההבדל בריכוז הפרוטונים (H +) וההבדל במטען על פני הממברנה שהם יוצרים. אנרגיה פוטנציאלית זו נקצרת ומאוחסנת כאנרגיה כימית ב- ATP באמצעות כימיוזמוזה, תנועת יוני מימן במורד השיפוע האלקטרוכימי שלהם דרך האנזים הטרנסממברני ATP synthase, בדיוק כמו במיטוכונדריון.

    יוני המימן מורשים לעבור דרך הממברנה התילקואידית דרך קומפלקס חלבון מוטבע הנקרא ATP synthase. אותו חלבון יצר ATP מ- ADP במיטוכונדריון. האנרגיה הנוצרת על ידי זרם יון המימן מאפשרת לסינתאז ATP לחבר פוספט שלישי ל- ADP, היוצר מולקולה של ATP בתהליך הנקרא פוטופוספורילציה. זרימת יוני המימן דרך סינתאז ATP נקראת כימיוזמוזה, מכיוון שהיונים עוברים מאזור בריכוז גבוה לנמוך דרך מבנה חדיר למחצה.

    יצירת נושא אנרגיה נוסף: NADPH

    התפקיד הנותר של התגובה התלויה באור הוא ליצור את מולקולת נושאת האנרגיה האחרת, NADPH. כאשר האלקטרון משרשרת הובלת האלקטרונים מגיע למערכת הצילום I, הוא מופעל מחדש עם פוטון אחר שנלכד על ידי כלורופיל. האנרגיה מאלקטרון זה מניעה את היווצרות NADPH מ- NADP+ויון מימן (H +). כעת, כאשר האנרגיה הסולארית מאוחסנת בנשאי אנרגיה, ניתן להשתמש בה לייצור מולקולת סוכר.

    סיכום

    בחלק הראשון של הפוטוסינתזה, התגובה התלויה באור, מולקולות פיגמנט סופגות אנרגיה מאור השמש. הפיגמנט הנפוץ והשופע ביותר הוא כלורופיל א. פוטון פוגע במערכת הצילום II כדי ליזום פוטוסינתזה. אנרגיה עוברת דרך שרשרת הובלת האלקטרונים, השואבת יוני מימן לחלל התילקואיד. זה יוצר שיפוע אלקטרוכימי. היונים זורמים דרך סינתאז ATP מהחלל התילקואידי לתוך הסטרומה בתהליך הנקרא כימיוזמוזה ליצירת מולקולות של ATP, המשמשות ליצירת מולקולות סוכר בשלב השני של הפוטוסינתזה. מערכת צילום I סופגת פוטון שני, מה שמביא להיווצרות מולקולת NADPH, נושאת אנרגיה נוספת לתגובות מחזור קלווין.

    רשימת מילים

    ספקטרום הקליטה
    דפוס הספיגה הספציפי של חומר הסופג קרינה אלקטרומגנטית
    כלורופיל א
    צורת הכלורופיל הסופגת אור סגול-כחול ואדום
    כלורופיל ב
    צורת הכלורופיל הסופגת אור כחול ואדום-כתום
    ספקטרום אלקטרומגנטי
    טווח כל התדרים האפשריים של קרינה
    פוטון
    כמות או "חבילה" מובהקת של אנרגיית אור
    מערכת צילום
    קבוצה של חלבונים, כלורופיל ופיגמנטים אחרים המשמשים בתגובות תלויות האור של הפוטוסינתזה לספיגת אנרגיית האור ולהמירה לאנרגיה כימית
    אורך גל
    המרחק בין נקודות רצופות של גל

    תורמים וייחוסים