Skip to main content
Global

5.2: تفاعلات التمثيل الضوئي المعتمدة على الضوء

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    191549

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

    كيف يمكن استخدام الضوء لصنع الطعام؟ من السهل التفكير في الضوء كشيء موجود ويسمح للكائنات الحية، مثل البشر، بالرؤية، لكن الضوء هو شكل من أشكال الطاقة. مثل كل الطاقة، يمكن للضوء أن ينتقل ويغير شكله ويتم تسخيره للقيام بالعمل. في حالة التمثيل الضوئي، تتحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية تستخدمها الأوتوتروفات لبناء جزيئات الكربوهيدرات. ومع ذلك، تستخدم autotrophs فقط مكونًا محددًا من ضوء الشمس (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

    تظهر الصورة صورة ظلية لنبات عشبي مقابل الشمس عند غروب الشمس.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يمكن للأوتوتروفات التقاط الطاقة الضوئية من الشمس وتحويلها إلى طاقة كيميائية تستخدم لبناء جزيئات الطعام. (مصدر: تعديل العمل من قبل جيري أتويل، خدمة الأسماك والحياة البرية الأمريكية)

    مفهوم في العمل

    شاهد عملية التمثيل الضوئي داخل ورقة في هذا الفيديو.

    ما هي الطاقة الضوئية؟

    تصدر الشمس كمية هائلة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (الطاقة الشمسية). يمكن للبشر رؤية جزء صغير فقط من هذه الطاقة، والتي يشار إليها باسم «الضوء المرئي». يمكن وصف الطريقة التي تنتقل بها الطاقة الشمسية وقياسها كموجات. يمكن للعلماء تحديد كمية طاقة الموجة من خلال قياس طولها الموجي، والمسافة بين نقطتين متتاليتين متشابهتين في سلسلة من الموجات، مثل من القمة إلى القمة أو من الحوض إلى الحوض الصغير (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    يُظهر هذا الرسم التوضيحي موجتين. المسافة بين القمم (كما هو موضح بالجزء العلوي، على عكس الحوض في الأسفل) هي الطول الموجي.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): الطول الموجي للموجة الواحدة هو المسافة بين نقطتين متتاليتين على طول الموجة.

    يشكل الضوء المرئي واحدًا فقط من العديد من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس. الطيف الكهرومغناطيسي هو نطاق جميع الأطوال الموجية الممكنة للإشعاع (الشكل\(\PageIndex{3}\)). كل طول موجي يتوافق مع كمية مختلفة من الطاقة المحمولة.

    يسرد هذا الرسم التوضيحي أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي بترتيب انخفاض الطول الموجي. هذه هي أشعة جاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء والراديو
    الشكل\(\PageIndex{3}\): تنبعث الشمس الطاقة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي. يوجد هذا الإشعاع بأطوال موجية مختلفة، ولكل منها طاقة مميزة خاصة بها. الضوء المرئي هو أحد أنواع الطاقة المنبعثة من الشمس.

    كل نوع من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي له نطاق مميز من الأطوال الموجية. كلما زاد طول الطول الموجي (أو زاد امتداده)، قلت الطاقة المنقولة. تحمل الموجات القصيرة والضيقة أكبر قدر من الطاقة. قد يبدو هذا غير منطقي، لكن فكر في الأمر من منظور قطعة من الحبل المتحرك. لا يتطلب الأمر سوى القليل من الجهد من قبل الشخص لتحريك الحبل في موجات طويلة وواسعة. لجعل الحبل يتحرك في موجات قصيرة وضيقة، سيحتاج الشخص إلى استخدام المزيد من الطاقة بشكل ملحوظ.

    تصدر الشمس (الشكل\(\PageIndex{3}\)) نطاقًا واسعًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي، بما في ذلك الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية (UV). تشكل الموجات عالية الطاقة خطرًا على الكائنات الحية؛ على سبيل المثال، يمكن أن تكون الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية ضارة بالبشر.

    امتصاص الضوء

    تدخل الطاقة الضوئية عملية التمثيل الضوئي عندما تمتص الأصباغ الضوء. في النباتات، تمتص جزيئات الصباغ الضوء المرئي فقط لعملية التمثيل الضوئي. الضوء المرئي الذي يراه البشر كضوء أبيض موجود بالفعل في قوس قزح من الألوان. تقوم بعض الأشياء، مثل المنشور أو قطرة الماء، بتفريق الضوء الأبيض للكشف عن هذه الألوان للعين البشرية. تنظر العين البشرية إلى جزء الضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي على أنه قوس قزح من الألوان، حيث يكون للبنفسجي والأزرق أطوال موجية أقصر وبالتالي طاقة أعلى. في الطرف الآخر من الطيف باتجاه اللون الأحمر، تكون الأطوال الموجية أطول وذات طاقة أقل.

    فهم الأصباغ

    توجد أنواع مختلفة من الأصباغ، ويمتص كل منها أطوال موجية (ألوان) معينة فقط من الضوء المرئي. تعكس الأصباغ لون الأطوال الموجية التي لا تستطيع امتصاصها.

    تحتوي جميع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي على صبغة تسمى الكلوروفيل أ، والتي يراها البشر على أنها اللون الأخضر الشائع المرتبط بالنباتات. يمتص الكلوروفيل أ الأطوال الموجية من طرفي الطيف المرئي (الأزرق والأحمر)، ولكن ليس من اللون الأخضر. نظرًا لانعكاس اللون الأخضر، يظهر الكلوروفيل باللون الأخضر.

    تشمل أنواع الأصباغ الأخرى الكلوروفيل ب (الذي يمتص الضوء الأزرق والأحمر البرتقالي) والكاروتينات. يمكن تحديد كل نوع من أنواع الأصباغ من خلال النمط المحدد للأطوال الموجية التي تمتصها من الضوء المرئي، وهو طيف الامتصاص.

    تحتوي العديد من كائنات التمثيل الضوئي على مزيج من الأصباغ؛ فيما بينها، يمكن للكائن الحي امتصاص الطاقة من نطاق أوسع من الأطوال الموجية للضوء المرئي. لا تتمتع جميع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي بإمكانية الوصول الكامل إلى ضوء الشمس. تنمو بعض الكائنات الحية تحت الماء حيث تنخفض شدة الضوء مع العمق، ويتم امتصاص أطوال موجية معينة بواسطة الماء. تنمو الكائنات الحية الأخرى في المنافسة على الضوء. يجب أن تكون النباتات الموجودة على أرضية الغابات المطيرة قادرة على امتصاص أي جزء من الضوء الذي يمر، لأن الأشجار الطويلة تحجب معظم ضوء الشمس (الشكل\(\PageIndex{4}\)).

    تظهر هذه الصورة الشجيرات في الغابة.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): تستفيد النباتات التي تنمو عادة في الظل من وجود مجموعة متنوعة من الأصباغ الماصة للضوء. يمكن لكل صبغة أن تمتص أطوال موجية مختلفة من الضوء، مما يسمح للنبات بامتصاص أي ضوء يمر عبر الأشجار الطويلة. (تصوير جيسون هولينجر)

    كيف تعمل التفاعلات المعتمدة على الضوء

    الغرض العام من التفاعلات المعتمدة على الضوء هو تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. سيتم استخدام هذه الطاقة الكيميائية في دورة Calvin لتغذية تجميع جزيئات السكر.

    تبدأ التفاعلات المعتمدة على الضوء في مجموعة من جزيئات الصبغة والبروتينات تسمى النظام الضوئي. توجد أنظمة ضوئية في أغشية الثيلاكويدات. يمتص جزيء الصباغ في النظام الضوئي فوتون واحدًا أو كمية أو «حزمة» من الطاقة الضوئية في المرة الواحدة.

    ينتقل فوتون الطاقة الضوئية حتى يصل إلى جزيء الكلوروفيل. يتسبب الفوتون في «إثارة» إلكترون في الكلوروفيل. تسمح الطاقة المعطاة للإلكترون بالتحرر من ذرة جزيء الكلوروفيل. لذلك يقال إن الكلوروفيل «يتبرع» بالإلكترون (الشكل\(\PageIndex{5}\)).

    لاستبدال الإلكترون في الكلوروفيل، يتم تقسيم جزيء الماء. يؤدي هذا الانقسام إلى إطلاق إلكترون ويؤدي إلى تكوين الأكسجين (O 2) وأيونات الهيدروجين (H +) في فضاء الثيلاكويد. من الناحية الفنية، يطلق كل كسر لجزيء الماء زوجًا من الإلكترونات، وبالتالي يمكن أن يحل محل إلكترونين متبرع بهما.

    يُظهر هذا الرسم التوضيحي النظام الضوئي II، الذي يحتوي على مجمع لتجميع الضوء يحيط بمركز التفاعل. توجد جزيئات الكلوروفيل في مجمع حصاد الضوء. في مركز التفاعل، يتم تمرير الإلكترون المثير إلى متقبل الإلكترون الأساسي. ينقسم جزيء الماء ويطلق أكسجينًا واحدًا وبروتونين وإلكترون. يستبدل الإلكترون الذي تم التبرع به لمقبل الإلكترون الأساسي.
    الشكل\(\PageIndex{5}\): يتم امتصاص الطاقة الضوئية بواسطة جزيء الكلوروفيل ويتم تمريرها على طول المسار إلى جزيئات الكلوروفيل الأخرى. تبلغ الطاقة ذروتها في جزيء الكلوروفيل الموجود في مركز التفاعل. الطاقة «تثير» أحد إلكتروناتها بما يكفي لمغادرة الجزيء ونقلها إلى متقبل الإلكترون الأساسي القريب. ينقسم جزيء الماء لإطلاق الإلكترون، وهو أمر ضروري لاستبدال الإلكترون المتبرع به. تتكون أيونات الأكسجين والهيدروجين أيضًا من تقسيم الماء.

    يمكّن استبدال الإلكترون الكلوروفيل من الاستجابة لفوتون آخر. تجد جزيئات الأكسجين المنتجة كمنتجات ثانوية طريقها إلى البيئة المحيطة. تلعب أيونات الهيدروجين أدوارًا مهمة في بقية التفاعلات المعتمدة على الضوء.

    ضع في اعتبارك أن الغرض من التفاعلات المعتمدة على الضوء هو تحويل الطاقة الشمسية إلى ناقلات كيميائية سيتم استخدامها في دورة Calvin. في حقيقيات النوى وبعض بدائيات النواة، يوجد نظامان فوتوغرافيان. يُطلق على الأول اسم النظام الضوئي II، والذي تمت تسميته بترتيب اكتشافه وليس لترتيب الوظيفة.

    بعد اصطدام الفوتون، ينقل النظام الضوئي II الإلكترون الحر إلى الأول في سلسلة من البروتينات داخل غشاء ثيلاكويد تسمى سلسلة نقل الإلكترون. عندما يمر الإلكترون على طول هذه البروتينات، تغذي الطاقة من الإلكترون المضخات الغشائية التي تعمل بنشاط على تحريك أيونات الهيدروجين ضد تدرج تركيزها من السدى إلى فضاء الثيلاكويد. هذا مشابه تمامًا للعملية التي تحدث في الميتوكوندريا حيث تضخ سلسلة نقل الإلكترون أيونات الهيدروجين من سدى الميتوكوندريا عبر الغشاء الداخلي إلى الفضاء بين الأغشية، مما يخلق تدرجًا كهروكيميائيًا. بعد استخدام الطاقة، يتم قبول الإلكترون بواسطة جزيء الصباغ في النظام الضوئي التالي، والذي يسمى النظام الضوئي الأول (الشكل\(\PageIndex{6}\)).

    يوضح هذا الرسم التوضيحي المكونات المشاركة في التفاعلات الضوئية. يستخدم النظام الضوئي II الضوء لإثارة الإلكترون، الذي ينتقل إلى سلسلة نقل الإلكترون الكلوروبلاست. ثم يتم تمرير الإلكترون إلى النظام الضوئي الأول وإلى NADP+ reductase، مما يجعل NADPH. تشكل هذه العملية تدرجًا كهروكيميائيًا يستخدمه إنزيم ATP synthase لصنع ATP.
    الشكل\(\PageIndex{6}\): من النظام الضوئي II، ينتقل الإلكترون عبر سلسلة من البروتينات. يستخدم نظام نقل الإلكترون هذا الطاقة من الإلكترون لضخ أيونات الهيدروجين إلى داخل الثيلاكويد. يقبل جزيء الصباغ في النظام الضوئي I الإلكترون.

    توليد ناقل طاقة: ATP

    في التفاعلات المعتمدة على الضوء، يتم تخزين الطاقة التي تمتصها أشعة الشمس بواسطة نوعين من الجزيئات الحاملة للطاقة: ATP و NADPH. يتم تخزين الطاقة التي تحملها هذه الجزيئات في رابطة تحمل ذرة واحدة للجزيء. بالنسبة لـ ATP، فهي ذرة فوسفات، وبالنسبة لـ NADPH، فهي ذرة هيدروجين. تذكر أن NADH كان جزيئًا مشابهًا يحمل الطاقة في الميتوكوندريا من دورة حمض الستريك إلى سلسلة نقل الإلكترون. عندما تطلق هذه الجزيئات الطاقة في دورة Calvin، تفقد كل منها الذرات لتصبح الجزيئات منخفضة الطاقة ADP و NADP +.

    يشكل تراكم أيونات الهيدروجين في فضاء الثيلاكويد تدرجًا كهروكيميائيًا بسبب الاختلاف في تركيز البروتونات (H +) والفرق في الشحنة عبر الغشاء الذي تخلقه. يتم حصاد هذه الطاقة الكامنة وتخزينها كطاقة كيميائية في ATP من خلال التناضح الكيميائي، وحركة أيونات الهيدروجين إلى أسفل تدرجها الكهروكيميائي من خلال إنزيم ATP synthase عبر الغشاء، تمامًا كما هو الحال في الميتوكوندريا.

    يُسمح لأيونات الهيدروجين بالمرور عبر غشاء ثيلاكويد من خلال مركب بروتين مضمن يسمى ATP synthase. أنتج هذا البروتين نفسه ATP من ADP في الميتوكوندريا. تسمح الطاقة المولدة من تيار أيون الهيدروجين لمركب ATP بربط فوسفات ثالث بـ ADP، والذي يشكل جزيء ATP في عملية تسمى الفسفور الضوئي. يُطلق على تدفق أيونات الهيدروجين من خلال سينثاز ATP اسم التناضح الكيميائي، لأن الأيونات تنتقل من منطقة ذات تركيز مرتفع إلى منخفض من خلال بنية شبه قابلة للنفاذ.

    توليد ناقل طاقة آخر: NADPH

    الوظيفة المتبقية للتفاعل المعتمد على الضوء هي توليد الجزيء الناقل للطاقة الآخر، NADPH. عندما يصل الإلكترون من سلسلة نقل الإلكترون إلى النظام الضوئي الأول، يتم إعادة تنشيطه بفوتون آخر تم التقاطه بواسطة الكلوروفيل. تدفع الطاقة من هذا الإلكترون تكوين NADPH من NADP+ وأيون الهيدروجين (H +). الآن بعد أن تم تخزين الطاقة الشمسية في ناقلات الطاقة، يمكن استخدامها لصنع جزيء السكر.

    ملخص

    في الجزء الأول من عملية التمثيل الضوئي، التفاعل المعتمد على الضوء، تمتص جزيئات الصبغة الطاقة من ضوء الشمس. الصباغ الأكثر شيوعًا ووفرة هو الكلوروفيل أ. يضرب الفوتون النظام الضوئي الثاني لبدء عملية التمثيل الضوئي. تنتقل الطاقة عبر سلسلة نقل الإلكترون، التي تضخ أيونات الهيدروجين في فضاء الثيلاكويد. هذا يشكل تدرجًا كهروكيميائيًا. تتدفق الأيونات عبر سينثاز ATP من فضاء الثيلاكويد إلى السدى في عملية تسمى التناضح الكيميائي لتكوين جزيئات ATP، والتي تستخدم لتكوين جزيئات السكر في المرحلة الثانية من عملية التمثيل الضوئي. يمتص النظام الضوئي I الفوتون الثاني، مما يؤدي إلى تكوين جزيء NADPH، وهو ناقل طاقة آخر لتفاعلات دورة Calvin.

    مسرد المصطلحات

    طيف الامتصاص
    نمط الامتصاص المحدد لمادة تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي
    كلوروفيل أ
    شكل الكلوروفيل الذي يمتص الضوء البنفسجي والأزرق والأحمر
    كلوروفيل ب
    شكل الكلوروفيل الذي يمتص الضوء الأزرق والأحمر البرتقالي
    طيف كهرومغناطيسي
    نطاق جميع الترددات الممكنة للإشعاع
    فوتون
    كمية مميزة أو «حزمة» من الطاقة الضوئية
    نظام ضوئي
    مجموعة من البروتينات والكلوروفيل والأصباغ الأخرى المستخدمة في تفاعلات التمثيل الضوئي المعتمدة على الضوء لامتصاص الطاقة الضوئية وتحويلها إلى طاقة كيميائية
    الطول الموجي
    المسافة بين النقاط المتتالية للموجة

    المساهمون والصفات