Skip to main content
Global

8.3: استخدام الطاقة الضوئية لصنع الجزيئات العضوية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196366

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • وصف دورة كالفن
    • تعريف تثبيت الكربون
    • اشرح كيف يعمل التمثيل الضوئي في دورة الطاقة لجميع الكائنات الحية

    بعد تحويل الطاقة من الشمس إلى طاقة كيميائية وتخزينها مؤقتًا في جزيئات ATP و NADPH، تمتلك الخلية الوقود اللازم لبناء جزيئات الكربوهيدرات لتخزين الطاقة على المدى الطويل. تتراوح أعمار منتجات التفاعلات المعتمدة على الضوء، ATP و NADPH، في حدود ملايين الثواني، في حين أن منتجات التفاعلات المستقلة عن الضوء (الكربوهيدرات وغيرها من أشكال الكربون المنخفض) يمكن أن تبقى على قيد الحياة لمئات الملايين من السنين. ستحتوي جزيئات الكربوهيدرات المصنوعة على العمود الفقري لذرات الكربون. من أين يأتي الكربون؟ يأتي من ثاني أكسيد الكربون، وهو الغاز الذي يعتبر نفايات التنفس في الميكروبات والفطريات والنباتات والحيوانات.

    دورة كالفن

    في النباتات، يدخل ثاني أكسيد الكربون (CO 2) الأوراق من خلال الثغور، حيث ينتشر عبر مسافات قصيرة عبر المساحات بين الخلايا حتى يصل إلى خلايا الميزوفيل. بمجرد دخول خلايا الميزوفيل، ينتشر ثاني أكسيد الكربون في سدى البلاستيدات الخضراء - موقع تفاعلات التمثيل الضوئي المستقلة عن الضوء. تحتوي ردود الفعل هذه في الواقع على العديد من الأسماء المرتبطة بها. تم تسمية مصطلح آخر، دورة كالفن، على اسم الرجل الذي اكتشفها، ولأن هذه التفاعلات تعمل كدورة. يسميها آخرون دورة Calvin-Benson لتشمل اسم عالم آخر مشارك في اكتشافها. الاسم الأكثر حداثة هو التفاعلات المظلمة، لأن الضوء ليس مطلوبًا بشكل مباشر (الشكل\(\PageIndex{1}\)). ومع ذلك، يمكن أن يكون مصطلح رد الفعل المظلم مضللاً لأنه يشير بشكل غير صحيح إلى أن التفاعل يحدث فقط في الليل أو أنه مستقل عن الضوء، ولهذا السبب لم يعد معظم العلماء والمدربين يستخدمونه.

    يوضح هذا الرسم التوضيحي أن ATP و NADPH المنتجين في التفاعلات الضوئية يستخدمان في دورة Calvin لصنع السكر.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): تعمل التفاعلات الضوئية على تسخير الطاقة من الشمس لإنتاج الروابط الكيميائية و ATP و NADPH. يتم تصنيع هذه الجزيئات الحاملة للطاقة في السدى حيث يتم تثبيت الكربون.

    يمكن تنظيم التفاعلات المستقلة عن الضوء لدورة Calvin في ثلاث مراحل أساسية: التثبيت والاختزال والتجديد.

    المرحلة 1: التثبيت

    في السدى، بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون، يوجد مكونان آخران لبدء التفاعلات المستقلة عن الضوء: إنزيم يسمى ريبولوز-1،5-ثنائي فسفات كربوكسيلاز/أكسجيناز (RubiSCO)، وثلاثة جزيئات من ثنائي فوسفات الريبولوز (rubP)، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{2}\). يحتوي RubP على خمس ذرات من الكربون، وتحيط بها اثنتان من الفوسفات.

    آرت كونيكشن

    يتم عرض رسم تخطيطي لدورة Calvin بمراحلها الثلاث: تثبيت الكربون وتقليل 3-PGA وتجديد rubP. في المرحلة الأولى، يضيف إنزيم RubiSCO ثاني أكسيد الكربون إلى جزيء الكربون الخمسة rubP، مما ينتج جزيئين من ثلاثة كربون 3-PGA. في المرحلة 2، يتم استخدام اثنين من NADPH واثنين من ATP لتقليل 3-PGA إلى GA3P. في المرحلة 3 يتم تجديد rubP من GA3P. يتم استخدام ATP واحد في هذه العملية. تنتج ثلاث دورات كاملة واحدة GA3P جديدة، والتي يتم إخراجها من الدورة وتحويلها إلى جلوكوز (C6H12O6).
    الشكل\(\PageIndex{2}\): تتكون دورة Calvin من ثلاث مراحل. في المرحلة الأولى، يدمج إنزيم RubiSCO ثاني أكسيد الكربون في جزيء عضوي، 3-PGA. في المرحلة الثانية، يتم تقليل الجزيء العضوي باستخدام الإلكترونات التي يوفرها NADPH. في المرحلة 3، يتم تجديد rubP، الجزيء الذي يبدأ الدورة، بحيث يمكن أن تستمر الدورة. يتم دمج جزيء واحد فقط من ثاني أكسيد الكربون في كل مرة، لذلك يجب إكمال الدورة ثلاث مرات لإنتاج جزيء GA3P واحد من ثلاثة كربون، وست مرات لإنتاج جزيء جلوكوز سداسي الكربون.

    أي من العبارات التالية صحيحة؟

    1. في عملية التمثيل الضوئي، يعتبر الأكسجين وثاني أكسيد الكربون و ATP و NADPH من المواد المتفاعلة. GA3P والمياه هي منتجات.
    2. في عملية التمثيل الضوئي، يعتبر الكلوروفيل والماء وثاني أكسيد الكربون من المواد المتفاعلة. GA3P والأكسجين من المنتجات.
    3. في عملية التمثيل الضوئي، يعتبر الماء وثاني أكسيد الكربون و ATP و NADPH من المواد المتفاعلة. RubP والأكسجين من المنتجات.
    4. في عملية التمثيل الضوئي، يعتبر الماء وثاني أكسيد الكربون من المواد المتفاعلة. GA3P والأكسجين من المنتجات.

    يحفز Rubisco التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون و RubP. بالنسبة لكل جزيء من ثاني أكسيد الكربون يتفاعل مع rBP واحد، يتشكل جزيئان من مركب آخر (3-PGA). يحتوي PGA على ثلاثة كربونات وفوسفات واحد. يتضمن كل دورة من الدورة RubP واحدًا فقط وثاني أكسيد كربون واحد ويشكل جزيئين من 3-PGA. يظل عدد ذرات الكربون كما هو، حيث تتحرك الذرات لتشكيل روابط جديدة أثناء التفاعلات (3 ذرات من 3CO 2 + 15 ذرة من 3rubP = 18 ذرة في 3 ذرات من 3-PGA). تسمى هذه العملية بتثبيت الكربون، لأن ثاني أكسيد الكربون «ثابت» من شكل غير عضوي إلى جزيئات عضوية.

    المرحلة 2: التخفيض

    يتم استخدام ATP و NADPH لتحويل الجزيئات الستة من 3-PGA إلى ستة جزيئات من مادة كيميائية تسمى الجلسرين 3-فوسفات (G3P). هذا هو تفاعل اختزال لأنه يتضمن اكتساب الإلكترونات بواسطة 3-PGA. تذكر أن الاختزال هو كسب الإلكترون بواسطة ذرة أو جزيء. يتم استخدام ستة جزيئات من كل من ATP و NADPH. بالنسبة لـ ATP، يتم إطلاق الطاقة مع فقدان ذرة الفوسفات الطرفية، وتحويلها إلى ADP؛ بالنسبة لـ NADPH، يتم فقدان كل من الطاقة وذرة الهيدروجين، وتحويلها إلى NADP +. يعود كل من هذه الجزيئات إلى التفاعلات القريبة المعتمدة على الضوء لإعادة استخدامها وإعادة تنشيطها.

    المرحلة 3: التجديد

    ومن المثير للاهتمام، في هذه المرحلة، أن واحدًا فقط من جزيئات G3P يغادر دورة Calvin ويتم إرساله إلى السيتوبلازم للمساهمة في تكوين مركبات أخرى يحتاجها النبات. نظرًا لأن G3P الذي يتم تصديره من الكلوروبلاست يحتوي على ثلاث ذرات كربون، فإن الأمر يتطلب ثلاث «دورات» من دورة Calvin لإصلاح ما يكفي من الكربون الصافي لتصدير G3P واحد. لكن كل دور يصنع اثنين من G3Ps، وبالتالي فإن ثلاث دورات تصنع ستة G3Ps. يتم تصدير أحدهما بينما تظل جزيئات G3P الخمسة المتبقية في الدورة وتستخدم لتجديد rubP، مما يمكّن النظام من الاستعداد لإصلاح المزيد من ثاني أكسيد الكربون. يتم استخدام ثلاثة جزيئات أخرى من ATP في تفاعلات التجديد هذه.

    رابط إلى التعلم

    يؤدي هذا الرابط إلى رسم متحرك لدورة Calvin. انقر فوق المرحلة 1 والمرحلة 2 ثم المرحلة 3 لرؤية G3P و ATP يتجديدان لتشكيل rubP.

    اتصال التطور: التمثيل الضوئي

    خلال تطور عملية التمثيل الضوئي، حدث تحول كبير من النوع البكتيري لعملية التمثيل الضوئي التي تتضمن نظامًا ضوئيًا واحدًا فقط وعادة ما تكون غير مؤكسدة (لا تولد الأكسجين) إلى عملية التمثيل الضوئي الحديثة للأكسجين (تولد الأكسجين)، باستخدام نظامين ضوئيين. يتم استخدام عملية التمثيل الضوئي الحديثة للأكسجين من قبل العديد من الكائنات الحية - من الأوراق الاستوائية العملاقة في الغابات المطيرة إلى الخلايا البكتيرية الزرقاء الصغيرة - وتظل عملية ومكونات عملية التمثيل الضوئي هذه كما هي إلى حد كبير. تمتص الأنظمة الضوئية الضوء وتستخدم سلاسل نقل الإلكترون لتحويل الطاقة إلى طاقة كيميائية لـ ATP و NADH. ثم تقوم التفاعلات اللاحقة المستقلة عن الضوء بتجميع جزيئات الكربوهيدرات بهذه الطاقة.

    أدى التمثيل الضوئي في النباتات الصحراوية إلى تطوير التكيفات التي تحافظ على المياه. في درجات الحرارة الجافة القاسية، يجب استخدام كل قطرة ماء للبقاء على قيد الحياة. نظرًا لأن الثغور يجب أن تفتح للسماح بامتصاص ثاني أكسيد الكربون، فإن الماء يتسرب من الورقة أثناء عملية التمثيل الضوئي النشط. طورت النباتات الصحراوية عمليات للحفاظ على المياه والتعامل مع الظروف القاسية. يسمح الاستخدام الأكثر كفاءة لثاني أكسيد الكربون للنباتات بالتكيف مع العيش مع كمية أقل من المياه. بعض النباتات مثل الصبار (الشكل\(\PageIndex{3}\)) can prepare materials for photosynthesis during the night by a temporary carbon fixation/storage process, because opening the stomata at this time conserves water due to cooler temperatures. In addition, cacti have evolved the ability to carry out low levels of photosynthesis without opening stomata at all, an extreme mechanism to face extremely dry periods.

    This photo shows short, round prickly cacti growing in cracks in a rock.
    Figure \(\PageIndex{3}\): The harsh conditions of the desert have led plants like these cacti to evolve variations of the light-independent reactions of photosynthesis. These variations increase the efficiency of water usage, helping to conserve water and energy. (credit: Piotr Wojtkowski)

    The Energy Cycle

    Whether the organism is a bacterium, plant, or animal, all living things access energy by breaking down carbohydrate molecules. But if plants make carbohydrate molecules, why would they need to break them down, especially when it has been shown that the gas organisms release as a “waste product” (CO2) acts as a substrate for the formation of more food in photosynthesis? Remember, living things need energy to perform life functions. In addition, an organism can either make its own food or eat another organism—either way, the food still needs to be broken down. Finally, in the process of breaking down food, called cellular respiration, heterotrophs release needed energy and produce “waste” in the form of CO2 gas.

    In nature, there is no such thing as waste. Every single atom of matter and energy is conserved, recycling over and over infinitely. Substances change form or move from one type of molecule to another, but their constituent atoms never disappear (Figure \(\PageIndex{4}\)).

    CO2 is no more a form of waste than oxygen is wasteful to photosynthesis. Both are byproducts of reactions that move on to other reactions. Photosynthesis absorbs light energy to build carbohydrates in chloroplasts, and aerobic cellular respiration releases energy by using oxygen to metabolize carbohydrates in the cytoplasm and mitochondria. Both processes use electron transport chains to capture the energy necessary to drive other reactions. These two powerhouse processes, photosynthesis and cellular respiration, function in biological, cyclical harmony to allow organisms to access life-sustaining energy that originates millions of miles away in a burning star humans call the sun.

    This photograph shows a giraffe eating leaves from a tree. Labels indicate that the giraffe consumes oxygen and releases carbon dioxide, whereas the tree consumes carbon dioxide and releases oxygen.
    Figure \(\PageIndex{4}\): Photosynthesis consumes carbon dioxide and produces oxygen. Aerobic respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide. These two processes play an important role in the carbon cycle. (credit: modification of work by Stuart Bassil)

    Summary

    Using the energy carriers formed in the first steps of photosynthesis, the light-independent reactions, or the Calvin cycle, take in CO2 from the environment. An enzyme, RuBisCO, catalyzes a reaction with CO2 and another molecule, RuBP. After three cycles, a three-carbon molecule of G3P leaves the cycle to become part of a carbohydrate molecule. The remaining G3P molecules stay in the cycle to be regenerated into RuBP, which is then ready to react with more CO2. Photosynthesis forms an energy cycle with the process of cellular respiration. Plants need both photosynthesis and respiration for their ability to function in both the light and dark, and to be able to interconvert essential metabolites. Therefore, plants contain both chloroplasts and mitochondria.

    Art Connections

    Figure \(\PageIndex{2}\): Which of the following statements is true?

    1. In photosynthesis, oxygen, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. G3P and water are products.
    2. In photosynthesis, chlorophyll, water, and carbon dioxide are reactants. G3P and oxygen are products.
    3. In photosynthesis, water, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. RuBP and oxygen are products.
    4. In photosynthesis, water and carbon dioxide are reactants. G3P and oxygen are products.
    Answer

    D

    Glossary

    Calvin cycle
    light-independent reactions of photosynthesis that convert carbon dioxide from the atmosphere into carbohydrates using the energy and reducing power of ATP and NADPH
    carbon fixation
    process of converting inorganic CO2 gas into organic compounds
    reduction
    gain of electron(s) by an atom or molecule