مراحل فرآیند فتوسنتز فرآیند فتوسنتز نقش کیهانی گیاهان

- سنتز مواد آلی از دی اکسید کربن و آب با استفاده اجباری از انرژی نور:

6CO 2 + 6H 2 O + Q نور → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

در گیاهان عالی، اندام فتوسنتز برگ است و اندامک های فتوسنتز کلروپلاست ها هستند (ساختار کلروپلاست ها - سخنرانی شماره 7). غشاهای تیلاکوئیدهای کلروپلاست حاوی رنگدانه های فتوسنتزی هستند: کلروفیل ها و کاروتنوئیدها. انواع مختلفی از کلروفیل وجود دارد ( آ ب پ ت) اصلی ترین آن کلروفیل است آ. در مولکول کلروفیل، یک "سر" پورفیرین با یک اتم منیزیم در مرکز و یک "دم" فیتول قابل تشخیص است. "سر" پورفیرین یک ساختار مسطح است، آب دوست است و بنابراین روی سطح غشایی قرار دارد که رو به محیط آبی استروما است. فیتول "دم" آبگریز است و به همین دلیل مولکول کلروفیل را در غشاء حفظ می کند.

کلروفیل ها نور قرمز و آبی-بنفش را جذب می کنند، نور سبز را منعکس می کنند و بنابراین رنگ سبز مشخصه خود را به گیاهان می دهند. مولکول های کلروفیل در غشاهای تیلاکوئید به صورت سازماندهی شده اند فتوسیستم ها. گیاهان و جلبک های سبز آبی دارای فتوسیستم-1 و فتوسیستم-2 هستند، در حالی که باکتری های فتوسنتزی دارای فتوسیستم-1 هستند. فقط فتوسیستم-2 می تواند آب را تجزیه کند تا اکسیژن آزاد شود و از هیدروژن آب الکترون بگیرد.

فتوسنتز یک فرآیند پیچیده چند مرحله ای است. واکنش های فتوسنتز به دو گروه تقسیم می شوند: واکنش ها فاز نورو واکنش ها فاز تاریک.

فاز نور

این فاز تنها در حضور نور در غشاهای تیلاکوئید با مشارکت کلروفیل، پروتئین های انتقال الکترون و آنزیم سنتتاز ATP رخ می دهد. تحت تأثیر یک کوانتوم نور، الکترون های کلروفیل برانگیخته می شوند، مولکول را ترک می کنند و وارد قسمت بیرونی غشای تیلاکوئید می شوند که در نهایت بار منفی می شود. مولکول های کلروفیل اکسید شده کاهش می یابند و الکترون ها را از آب واقع در فضای داخل تیلاکوئید می گیرند. این منجر به تجزیه یا فتولیز آب می شود:

نور H 2 O + Q → H + + OH - .

یون های هیدروکسیل الکترون های خود را رها می کنند و به رادیکال های واکنشی تبدیل می شوند.OH:

OH - → .OH + e - .

رادیکال های OH ترکیب می شوند و آب و اکسیژن آزاد را تشکیل می دهند:

4 NO. → 2H 2 O + O 2.

در این حالت، اکسیژن به محیط خارجی خارج می شود و پروتون ها در داخل تیلاکوئید در "مخزن پروتون" جمع می شوند. در نتیجه، غشای تیلاکوئید از یک سو به دلیل H + بار مثبت و از سوی دیگر به دلیل الکترون ها بار منفی دارد. هنگامی که اختلاف پتانسیل بین دو طرف بیرونی و داخلی غشای تیلاکوئید به 200 میلی ولت می رسد، پروتون ها از طریق کانال های سنتتاز ATP رانده می شوند و ADP به ATP فسفریله می شود. هیدروژن اتمی برای بازگرداندن حامل خاص NADP + (نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید فسفات) به NADPH 2 استفاده می شود:

2H + + 2e - + NADP → NADPH 2.

بنابراین، در فاز نور، فتولیز آب رخ می دهد که با سه فرآیند مهم همراه است: 1) سنتز ATP. 2) تشکیل NADPH 2. 3) تشکیل اکسیژن. اکسیژن در جو پخش می شود، ATP و NADPH 2 به استرومای کلروپلاست منتقل می شوند و در فرآیندهای فاز تاریک شرکت می کنند.

1 - استرومای کلروپلاست؛ 2 - گرانا تیلاکوئید.

فاز تاریک

این مرحله در استرومای کلروپلاست رخ می دهد. واکنش های آن به انرژی نور نیاز ندارد، بنابراین نه تنها در نور، بلکه در تاریکی نیز رخ می دهد. واکنش‌های فاز تاریک زنجیره‌ای از دگرگونی‌های متوالی دی اکسید کربن (که از هوا می‌آیند) هستند که منجر به تشکیل گلوکز و سایر مواد آلی می‌شوند.

اولین واکنش در این زنجیره تثبیت دی اکسید کربن است. گیرنده دی اکسید کربن یک قند پنج کربنه است. ریبولوز بی فسفات(RiBF)؛ آنزیم واکنش را کاتالیز می کند ریبولوز بی فسفات کربوکسیلاز(RiBP carboxylase). در نتیجه کربوکسیلاسیون ریبولوز بیس فسفات، یک ترکیب شش کربنه ناپایدار تشکیل می شود که بلافاصله به دو مولکول تجزیه می شود. اسید فسفوگلیسریک(FGK). سپس چرخه ای از واکنش ها رخ می دهد که در آن اسید فسفوگلیسریک از طریق یک سری مواد واسطه به گلوکز تبدیل می شود. این واکنش ها از انرژی ATP و NADPH 2 که در فاز نوری تشکیل شده اند استفاده می کنند. چرخه این واکنش ها "چرخه کالوین" نامیده می شود:

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

علاوه بر گلوکز، مونومرهای دیگر ترکیبات آلی پیچیده در طول فتوسنتز تشکیل می شود - اسیدهای آمینه، گلیسرول و اسیدهای چرب، نوکلئوتیدها. در حال حاضر دو نوع فتوسنتز وجود دارد: فتوسنتز C 3 - و C 4.

ج 3-فتوسنتز

این نوعی فتوسنتز است که اولین محصول آن ترکیبات سه کربنه (C3) است. فتوسنتز C 3 قبل از فتوسنتز C 4 (M. Calvin) کشف شد. این فتوسنتز C3 است که در بالا، تحت عنوان "فاز تاریک" توضیح داده شده است. ویژگی های مشخصه فتوسنتز C3: 1) پذیرنده دی اکسید کربن RiBP است، 2) واکنش کربوکسیلاسیون RiBP توسط کربوکسیلاز RiBP کاتالیز می شود، 3) در نتیجه کربوکسیلاسیون RiBP، یک ترکیب شش کربنی تشکیل می شود که به تجزیه می شود. دو PGA FGK به بازیابی می شود تریوز فسفات(TF). مقداری از TF برای بازسازی RiBP استفاده می شود و مقداری به گلوکز تبدیل می شود.

1 - کلروپلاست؛ 2 - پراکسی زوم; 3- میتوکندری.

این جذب اکسیژن و آزادسازی دی اکسید کربن وابسته به نور است. در آغاز قرن گذشته مشخص شد که اکسیژن فتوسنتز را سرکوب می کند. همانطور که مشخص شد، برای کربوکسیلاز RiBP، بستر می تواند نه تنها دی اکسید کربن، بلکه اکسیژن نیز باشد:

O 2 + RiBP → فسفوگلیکولات (2C) + PGA (3C).

آنزیم RiBP oxygenase نام دارد. اکسیژن یک بازدارنده رقابتی تثبیت دی اکسید کربن است. گروه فسفات جدا می شود و فسفوگلیکولات به گلیکولات تبدیل می شود که گیاه باید از آن استفاده کند. وارد پراکسی زوم ها می شود و در آنجا به گلیسین اکسید می شود. گلایسین وارد میتوکندری می‌شود، جایی که اکسیده می‌شود و به سرین تبدیل می‌شود و کربن از قبل تثبیت شده به شکل CO2 از بین می‌رود. در نتیجه، دو مولکول گلیکولات (2C + 2C) به یک PGA (3C) و CO2 تبدیل می‌شوند. تنفس نوری منجر به کاهش 30-40 درصد عملکرد گیاهان C3 می شود. با 3 گیاه- گیاهانی که با فتوسنتز C 3 مشخص می شوند).

فتوسنتز C 4 فتوسنتزی است که در آن اولین محصول ترکیبات چهار کربنه (C 4) است. در سال 1965 مشخص شد که در برخی از گیاهان (نیشکر، ذرت، سورگوم، ارزن) اولین محصولات فتوسنتز اسیدهای چهار کربنه هستند. به این گیاهان می گفتند با 4 گیاه. در سال 1966، دانشمندان استرالیایی Hatch و Slack نشان دادند که گیاهان C4 عملاً تنفس نوری ندارند و دی اکسید کربن را بسیار موثرتر جذب می کنند. مسیر تبدیل کربن در گیاهان C 4 شروع به نامگذاری کرد توسط Hatch-Slack.

گیاهان C 4 با ساختار تشریحی خاصی برگ مشخص می شوند. همه بسته های عروقی توسط یک لایه دوگانه از سلول ها احاطه شده اند: لایه بیرونی سلول های مزوفیل است، لایه داخلی سلول های غلاف است. دی اکسید کربن در سیتوپلاسم سلول های مزوفیل ثابت می شود، پذیرنده است فسفونول پیرووات(PEP، 3C)، در نتیجه کربوکسیلاسیون PEP، اگزالواستات (4C) تشکیل می شود. فرآیند کاتالیز می شود PEP کربوکسیلاز. برخلاف RiBP کربوکسیلاز، PEP کربوکسیلاز تمایل بیشتری به CO 2 دارد و مهمتر از همه، با O 2 برهمکنش نمی کند. کلروپلاست های مزوفیل دارای دانه های زیادی هستند که در آنها واکنش های فاز سبک به طور فعال رخ می دهد. واکنش های فاز تاریک در کلروپلاست سلول های غلاف رخ می دهد.

اگزالواستات (4C) به مالات تبدیل می شود که از طریق پلاسمودسماتا به سلول های غلاف منتقل می شود. در اینجا کربوکسیله شده و هیدروژنه می شود تا پیروات، CO 2 و NADPH 2 تشکیل شود.

پیرووات به سلول های مزوفیل باز می گردد و با استفاده از انرژی ATP در PEP بازسازی می شود. CO 2 دوباره توسط کربوکسیلاز RiBP برای تشکیل PGA ثابت می شود. بازسازی PEP به انرژی ATP نیاز دارد، بنابراین تقریباً دو برابر انرژی فتوسنتز C 3 نیاز دارد.

معنی فتوسنتز

به لطف فتوسنتز، سالانه میلیاردها تن دی اکسید کربن از جو جذب می شود و میلیاردها تن اکسیژن آزاد می شود. فتوسنتز منبع اصلی تشکیل مواد آلی است. اکسیژن لایه اوزون را تشکیل می دهد که از موجودات زنده در برابر اشعه فرابنفش موج کوتاه محافظت می کند.

در طول فتوسنتز، یک برگ سبز تنها حدود 1٪ از انرژی خورشیدی را که روی آن می ریزد استفاده می کند؛ بهره وری حدود 1 گرم ماده آلی در هر متر مربع از سطح در ساعت است.

شیمی سنتز

سنتز ترکیبات آلی از دی اکسید کربن و آب که نه به دلیل انرژی نور، بلکه به دلیل انرژی اکسیداسیون مواد معدنی انجام می شود، نامیده می شود. شیمی سنتز. موجودات شیمیایی شیمیایی شامل برخی از انواع باکتری ها هستند.

باکتری های نیتریفیک کنندهآمونیاک به نیتروژن و سپس به اسید نیتریک اکسید می شود (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

باکتری های آهنتبدیل آهن آهنی به آهن اکسیدی (Fe 2+ → Fe 3+).

باکتری های گوگردیسولفید هیدروژن را به گوگرد یا اسید سولفوریک اکسید کنید (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O ، H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

در نتیجه واکنش های اکسیداسیون مواد معدنی، انرژی آزاد می شود که توسط باکتری ها به شکل پیوندهای پر انرژی ATP ذخیره می شود. ATP برای سنتز مواد آلی استفاده می شود که مشابه واکنش های فاز تاریک فتوسنتز انجام می شود.

باکتری های شیمیایی شیمیایی به تجمع مواد معدنی در خاک، بهبود حاصلخیزی خاک، ارتقای تصفیه فاضلاب و غیره کمک می کنند.

رفتن به سخنرانی شماره 11مفهوم متابولیسم. بیوسنتز پروتئین ها

رفتن به سخنرانی شماره 13"روش های تقسیم سلول های یوکاریوتی: میتوز، میوز، آمیتوز"

سوال 1. فتوسنتز چیست؟ مواد لازم برای اجرای آن را نام ببرید.

فتوسنتز فرآیند تولید مواد آلی و اکسیژن از دی اکسید کربن و آب در برگ های گیاهان سبز در نور خورشید است.

سوال 2. جمله ها را کامل کنید.

فتوسنتز در سلول های گیاهی که حاوی اندامک های کلروپلاست هستند اتفاق می افتد. آنها حاوی رنگدانه سبز کلروفیل هستند که به گیاه رنگ می دهد و فتوسنتز را تضمین می کند.

در بیشتر گیاهان، اندام اصلی که فتوسنتز را تضمین می کند، برگ است؛ فتوسنتز می تواند در ساقه ها و میوه های سبز نیز رخ دهد.

سوال 3. معلوم است که گیاهان زمینی سالانه آنقدر برگ تولید می کنند که می توانند کره زمین را در چندین لایه بپوشانند. توضیح دهید که چرا گیاهان این همه برگ تولید می کنند.

فرآیند تشکیل مواد آلی در برگ های آستنی سبز در نور خورشید رخ می دهد. بنابراین، برای تغذیه گیاه باید تعداد زیادی برگ وجود داشته باشد.

سوال 4. به تصویر "تشکیل مواد آلی در طول فتوسنتز" نگاه کنید. نام مواد ورودی و خروجی از برگ را روی آن بنویسید.

دی اکسید کربن

اکسیژن

به سوالات پاسخ دهید:

1) شرایط لازم برای انجام فتوسنتز چیست؟

فتوسنتز به نور خورشید، دی اکسید کربن و کلروپلاست نیاز دارد.

2) چه مواد آلی در طول فتوسنتز تشکیل می شود و اهمیت آنها برای گیاه چیست؟

کلروپلاست ها هنگام فتوسنتز در معرض نور نشاسته تولید می کنند. این ماده یک کربوهیدرات است و به عنوان منبع انرژی برای گیاهان عمل می کند.

سوال 5*. در کتاب درسی شرح آزمایش در مورد مطالعه تأثیر نور بر تشکیل مواد آلی در گیاهان سبز را بخوانید و به شکل 61 نگاه کنید. به نظر شما چرا نشاسته پس از نگهداری در برگ گیاهان سبز قابل تشخیص نیست. 2-3 روز تاریکه؟ او به کجا ناپدید می شود؟

نور خورشید برای تبدیل نشاسته در برگها مورد نیاز است. نشاسته در طول فتوسنتز تشکیل می شود. این فرآیند با استفاده از انرژی نور اتفاق خواهد افتاد. بدون نور هیچ فرآیند فتوسنتز وجود ندارد، بدون این فرآیند هیچ نشاسته ای در برگ ها وجود ندارد.

ما در آزمایشگاه کار می کنیم

سوال 6. به تصویری که آزمایش را نشان می دهد نگاه کنید.

به سوالات پاسخ دهید:

1) چرا در حالت اول و سوم شمع خاموش می شود؟

در رگ اول و سوم، دانه ها و ریشه ها در فرآیند تنفس، تمام اکسیژن را مصرف کرده و دی اکسید کربن آزاد می کنند. شمع خاموش شد.

2) چرا در حالت دوم شمع می سوزد؟

در ظرف دوم، گیاه نه تنها نفس می کشد، بلکه از طریق فتوسنتز اکسیژن آزاد می کند و به همین دلیل است که شمع می سوزد.

اجرا شد فرآیند فتوسنتز در برگ گیاهانفتوسنتز فقط مختص گیاهان سبز است. این مهم ترین جنبه فعالیت برگ به طور کامل توسط K. A. Timiryazev مشخص شده است:

می توان گفت که زندگی برگ بیانگر ماهیت حیات گیاهی است. همه مواد آلی، صرف نظر از اینکه چقدر متنوع هستند، در هر کجا که یافت می شوند - چه در یک گیاه، چه حیوان یا یک شخص - از روی برگ عبور می کنند که از مواد تولید شده توسط برگ نشات می گیرد.

ساختار برگ گیاه

برگ گیاهآنها با تنوع زیادی در ساختار تشریحی خود مشخص می شوند که هم به نوع گیاه و هم به شرایط رشد آنها بستگی دارد. برگ از بالا و پایین با اپیدرم پوشیده شده است - یک بافت پوششی با دهانه های متعدد به نام روزنه. در زیر اپیدرم فوقانی یک پالیزید یا پارانشیم ستونی وجود دارد که به آن جذب می‌گویند. در زیر آن بافت شلتر - پارانشیم اسفنجی و به دنبال آن اپیدرم تحتانی وجود دارد. کل برگ توسط شبکه ای از رگبرگها متشکل از بسته های رسانایی که آب، مواد معدنی و مواد آلی از آن عبور می کنند نفوذ می کند. مقطع یک برگ. بافت ستونی و اسفنجی برگ حاوی پلاستیدهای سبز رنگ است - کلروپلاست های حاوی رنگدانه. وجود کلروپلاست ها و رنگدانه های سبز موجود در آنها (کلروفیل) رنگ گیاهان را توضیح می دهد. سطح برگ بزرگ، به 30000 تا 50000 متر مربع می رسد. متر در هر هکتار در گیاهان مختلف، به خوبی برای جذب موفقیت آمیز CO 2 از هوا در طول فتوسنتز سازگار است. دی اکسید کربن از طریق روزنه های واقع در اپیدرم به داخل برگ گیاه نفوذ می کند، وارد فضاهای بین سلولی می شود و با نفوذ از غشای سلولی وارد سیتوپلاسم و سپس به کلروپلاست ها می شود، جایی که فرآیند جذب انجام می شود. اکسیژن تشکیل شده در این فرآیند از سطح کلروپلاست در حالت آزاد پخش می شود. بنابراین، از طریق روزنه، تبادل گاز بین برگ ها و محیط خارجی رخ می دهد - دریافت دی اکسید کربن و آزاد شدن اکسیژن در طول فتوسنتز، آزاد شدن دی اکسید کربن و جذب اکسیژن در طول تنفس. علاوه بر این، روزنه ها برای آزاد کردن بخار آب عمل می کنند. علیرغم این واقعیت که مساحت کل دهانه های روزنه تنها 1-2٪ از کل سطح برگ است، با این حال، هنگامی که روزنه ها باز هستند، دی اکسید کربن 50 برابر بیشتر از جذب آن توسط قلیایی به برگ ها نفوذ می کند. . تعداد روزنه ها بسیار زیاد است - از چند ده تا 1500 در هر 1 مربع. میلی متر

کلروپلاست ها

کلروپلاست ها- پلاستیدهای سبز که در آنها فرآیند فتوسنتز اتفاق می افتد. آنها در سیتوپلاسم قرار دارند. در گیاهان عالی، کلروپلاست ها دیسکی یا عدسی شکل هستند؛ در گیاهان پایین تر، تنوع بیشتری دارند.
کلروپلاست ها در سلول های سبز گیاهی اندازه کلروپلاست در گیاهان عالی کاملا ثابت است و به طور متوسط ​​1-10 میکرون است. معمولاً یک سلول حاوی تعداد زیادی کلروپلاست، به طور متوسط ​​20-50 و گاهی اوقات بیشتر است. آنها عمدتاً در برگها قرار دارند و تعداد زیادی از آنها در میوه های نارس وجود دارد. در یک گیاه، تعداد کل کلروپلاست ها بسیار زیاد است. به عنوان مثال در یک درخت بلوط بالغ مساحت آنها 2 هکتار است. کلروپلاست ساختار غشایی دارد. توسط یک غشای دوگانه از سیتوپلاسم جدا می شود. کلروپلاست حاوی لاملا، صفحات پروتئینی-لیپوئیدی است که به صورت دسته‌هایی جمع‌آوری شده و گرانا نامیده می‌شوند. کلروفیل به شکل یک لایه تک مولکولی در لاملاها قرار دارد. بین لاملاها یک مایع پروتئینی آبکی وجود دارد - استروما. حاوی دانه های نشاسته و قطرات روغن است. ساختار کلروپلاست به خوبی با فتوسنتز سازگار است، زیرا تقسیم دستگاه حاوی کلروفیل به صفحات کوچک به طور قابل توجهی سطح فعال کلروپلاست را افزایش می دهد که دسترسی به انرژی و انتقال آن به سیستم های شیمیایی درگیر در فتوسنتز را تسهیل می کند. داده های A. A. Tabentsky نشان می دهد که کلروپلاست ها در طول انتوژنز گیاه همیشه تغییر می کنند. در برگ‌های جوان ساختار ریزدانه‌ای از کلروپلاست‌ها مشاهده می‌شود، در حالی که در برگ‌هایی که رشد کامل کرده‌اند، ساختار درشت دانه مشاهده می‌شود. در برگ های پیر، تجزیه کلروپلاست ها قبلاً مشاهده شده است. ماده خشک کلروپلاست ها حاوی 20-45 درصد پروتئین، 20-40 درصد لیپوئیدها، 10-12 درصد کربوهیدرات ها و سایر مواد ذخیره، 10 درصد عناصر معدنی، 5-10 درصد رنگدانه های سبز (کلروفیل) است. آو کلروفیل ب) 1-2٪ کاروتنوئیدها و همچنین مقادیر کمی RNA و DNA. محتوای آب به 75٪ می رسد. کلروپلاست ها حاوی مجموعه بزرگی از آنزیم های هیدرولیتیک و ردوکس هستند. تحقیقات N. M. Sissakyan نشان داده است که سنتز بسیاری از آنزیم ها در کلروپلاست ها نیز اتفاق می افتد. به لطف این، آنها در کل مجموعه پیچیده فرآیندهای زندگی گیاهان شرکت می کنند.

رنگدانه ها، خواص و شرایط تشکیل آنها

رنگدانه هامی توان از برگ های گیاه با الکل یا استون استخراج کرد. عصاره حاوی رنگدانه های زیر است: سبز - کلروفیل آو کلروفیل ب; زرد - کاروتن و زانتوفیل (کاروتنوئیدها).

کلروفیل

کلروفیلنشان می دهد

یکی از جالب ترین مواد روی سطح زمین

(C. Darwin)، از آنجایی که به لطف آن، سنتز مواد آلی از CO 2 و H 2 O غیر آلی امکان پذیر است، کلروفیل در آب نامحلول است و به راحتی تحت تأثیر نمک ها، اسیدها و قلیاها تغییر می کند، بنابراین بسیار مشکل بود. برای تعیین ترکیب شیمیایی آن معمولاً برای استخراج کلروفیل از اتیل الکل یا استون استفاده می شود. کلروفیل دارای فرمول های خلاصه زیر است: کلروفیل آ- C 55 H 72 O 5 N 4 Mg، کلروفیل ب- C 55 H 70 O 6 N 4 Mg. در کلروفیل آ 2 اتم هیدروژن بیشتر و 1 اتم اکسیژن کمتر از کلروفیل ب. فرمول کلروفیل را می توان به صورت زیر نشان داد:
فرمول کلروفیل آو ب. مکان مرکزی در مولکول کلروفیل توسط Mg اشغال شده است. می توان آن را با درمان عصاره الکلی کلروفیل با اسید هیدروکلریک جایگزین کرد. رنگدانه سبز رنگ به رنگ قهوه ای به نام فئوفیتین تبدیل می شود که در آن منیزیم با دو اتم H از اسید هیدروکلریک جایگزین می شود. بازگرداندن رنگ سبز عصاره با افزودن منیزیم یا فلز دیگری به مولکول فئوفیتین بسیار آسان است. بنابراین رنگ سبز کلروفیل با وجود فلز در ترکیب آن همراه است. هنگامی که عصاره الکلی کلروفیل در معرض قلیایی قرار می گیرد، گروه های الکلی (فیتول و متیل الکل) حذف می شوند. در این حالت، رنگ سبز کلروفیل حفظ می شود که نشان می دهد هسته مولکول کلروفیل در طول این واکنش حفظ می شود. ترکیب شیمیایی کلروفیل در همه گیاهان یکسان است. محتوای کلروفیل a همیشه (حدود 3 برابر) بیشتر از کلروفیل b است. مقدار کل کلروفیل کم است و حدود 1 درصد ماده خشک برگ را تشکیل می دهد. از نظر ماهیت شیمیایی، کلروفیل به ماده رنگ آمیزی خون - هموگلوبین نزدیک است، مکان مرکزی در مولکول آن نه منیزیم، بلکه توسط آهن اشغال شده است. مطابق با این، عملکردهای فیزیولوژیکی آنها نیز متفاوت است: کلروفیل در مهمترین فرآیند بازسازی در یک گیاه - فتوسنتز و هموگلوبین - در فرآیند تنفس موجودات حیوانی و حمل اکسیژن شرکت می کند.

خواص نوری رنگدانه ها

کلروفیل انرژی خورشیدی را جذب می کند و آن را به سمت واکنش های شیمیایی هدایت می کند که بدون دریافت انرژی از بیرون امکان پذیر نیست. محلول کلروفیل در نور عبوری سبز است، اما با افزایش ضخامت لایه یا غلظت کلروفیل قرمز می شود. کلروفیل نور را نه به طور کامل، بلکه به صورت انتخابی جذب می کند. هنگامی که نور سفید از یک منشور عبور می کند، طیفی متشکل از هفت رنگ مرئی تولید می کند که به تدریج به یکدیگر تبدیل می شوند. هنگام عبور نور سفید از یک منشور و محلول کلروفیل، شدیدترین جذب در طیف حاصل در پرتوهای قرمز و آبی-بنفش خواهد بود. پرتوهای سبز کمی جذب می شوند، بنابراین، در یک لایه نازک، کلروفیل در نور عبوری رنگ سبز دارد. با این حال، با افزایش غلظت کلروفیل، نوارهای جذب گسترش می یابند (بخش قابل توجهی از پرتوهای سبز نیز جذب می شود) و تنها بخشی از پرتوهای قرمز شدید بدون جذب عبور می کند. طیف جذبی کلروفیل آو بخیلی نزدیک. در نور بازتابی، کلروفیل قرمز گیلاسی به نظر می رسد زیرا نور جذب شده را با تغییر در طول موج خود ساطع می کند. این خاصیت کلروفیل فلورسانس نامیده می شود.

کاروتن و زانتوفیل

کاروتن و زانتوفیلفقط در پرتوهای آبی و بنفش نوارهای جذبی دارند. طیف آنها به هم نزدیک است.
طیف جذبی کلروفیل آو ب. انرژی جذب شده توسط این رنگدانه ها به کلروفیل منتقل می شود آ، که مستقیماً در فتوسنتز شرکت می کند. کاروتن پروویتامین A در نظر گرفته می شود، زیرا تجزیه آن 2 مولکول ویتامین A تولید می کند. فرمول کاروتن C 40 H 56، زانتوفیل C 40 H 54 (OH) 2 است.

شرایط تشکیل کلروفیل

تشکیل کلروفیلدر 2 مرحله انجام می شود: فاز اول تاریک است که طی آن پیش ماده کلروفیل پروتوکلروفیل تشکیل می شود و فاز دوم نور است که طی آن کلروفیل از پروتوکلروفیل در نور تشکیل می شود. تشکیل کلروفیل هم به نوع گیاه و هم به تعدادی از شرایط خارجی بستگی دارد. برخی از گیاهان، مانند نهال های سوزنی برگ، حتی بدون نور، در تاریکی نیز می توانند سبز شوند، اما در بیشتر گیاهان، کلروفیل از پروتوکلروفیل تنها در نور تشکیل می شود. در غیاب نور، گیاهان اتیوله به دست می آیند که دارای ساقه نازک، ضعیف، بسیار کشیده و برگ های زرد کم رنگ بسیار کوچک هستند. اگر گیاهان اتیوله در معرض نور قرار گیرند، برگها به سرعت سبز می شوند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که برگ ها قبلاً حاوی پروتوکلروفیل هستند که تحت تأثیر نور به راحتی به کلروفیل تبدیل می شود. دما تأثیر زیادی در تشکیل کلروفیل دارد. در یک بهار سرد، برگ های برخی از درختچه ها سبز نمی شوند تا زمانی که هوا گرم شود: هنگامی که دما کاهش می یابد، تشکیل پروتوکلروفیل سرکوب می شود. حداقل دمایی که در آن تشکیل کلروفیل شروع می شود 2 درجه و حداکثر دمایی که در آن تشکیل کلروفیل رخ نمی دهد 40 درجه است. علاوه بر دمای معین، تشکیل کلروفیل به عناصری از مواد معدنی به ویژه آهن نیاز دارد. در غیاب آن، گیاهان بیماری به نام کلروز را تجربه می کنند. ظاهراً آهن یک کاتالیزور در سنتز پروتوکلروفیل است، زیرا بخشی از مولکول کلروفیل نیست. تشکیل کلروفیل همچنین به نیتروژن و منیزیم نیاز دارد که بخشی از مولکول آن است. یک شرط مهم وجود پلاستیدهایی در سلول های برگ است که قادر به سبز شدن هستند. در غیاب آنها، برگ های گیاه سفید می مانند، گیاه قادر به فتوسنتز نیست و تنها تا زمانی که ذخایر بذر خود را مصرف نکند می تواند زندگی کند. این پدیده آلبینیسم نامیده می شود. این با تغییر در ماهیت ارثی یک گیاه خاص همراه است.

روابط کمی بین کلروفیل و دی اکسید کربن قابل جذب

با محتوای بالاتر کلروفیلدر یک گیاه، فرآیند فتوسنتز با شدت نور کمتر و حتی در دمای پایین‌تر آغاز می‌شود. با افزایش محتوای کلروفیل در برگ، فتوسنتز افزایش می یابد، اما تا حد معینی. در نتیجه، هیچ رابطه مستقیمی بین محتوای کلروفیل و شدت جذب CO2 وجود ندارد. مقدار CO 2 جذب شده توسط برگ در ساعت، محاسبه شده به ازای واحد کلروفیل موجود در برگ، بیشتر است، کلروفیل کمتر است. R. Willstetter و A. Stohl واحدی را پیشنهاد کردند که رابطه بین مقدار کلروفیل و دی اکسید کربن جذب شده را مشخص می کند. آنها مقدار دی اکسید کربن تجزیه شده در واحد زمان در واحد وزن را کلروفیل نامیدند شماره جذب. تعداد جذب ثابت نیست: زمانی که میزان کلروفیل کم باشد بیشتر و زمانی که محتوای آن در برگها زیاد باشد کمتر است. در نتیجه مولکول کلروفیل زمانی که محتوای آن در برگ کم باشد بهره وری بیشتری دارد و با افزایش مقدار آن، بهره وری کلروفیل کاهش می یابد. داده ها در جدول وارد می شوند.

جدول شماره جذب بسته به محتوای کلروفیل (طبق نظر R. Willstetter و A. Stohl)

گیاهان	در ساعت 10 برگ (میلی گرم)	شماره جذب
نژاد سبز نژاد زرد	16,2 1,2	6,9 82,0
بنفشه	16,2	5,8
جوانه های لوبیا اتیوله پس از روشن شدن به مدت: 6 ساعت و 4 روز

جدول منتشر شده نشان می دهد که هیچ رابطه مستقیمی بین محتوای کلروفیل و مقدار CO 2 جذب شده وجود ندارد. کلروفیل در گیاهان همیشه به مقدار زیاد یافت می شود و بدیهی است که همه آنها در فتوسنتز نقش ندارند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که در طول فتوسنتز، همراه با فرآیندهای فتوشیمیایی که با مشارکت کلروفیل انجام می شود، فرآیندهای شیمیایی صرفاً وجود دارد که نیازی به نور ندارند. واکنش های تاریکی در گیاهان بسیار کندتر از واکنش های نور انجام می شود. سرعت واکنش نور 0.00001 ثانیه، واکنش تاریکی 0.04 ثانیه است. واکنش های تاریک در فرآیند فتوسنتز اولین بار توسط F. Blackman کشف شد. او دریافت که واکنش تاریکی به دما بستگی دارد و با افزایش آن، سرعت فرآیندهای تاریکی افزایش می‌یابد. مدت زمان واکنش های نوری ناچیز است، بنابراین سرعت فتوسنتز عمدتاً با مدت زمان فرآیندهای تاریک تعیین می شود. گاهی اوقات در شرایط مساعد برای فتوسنتز (کلروفیل و نور کافی) به کندی پیش می رود. این با این واقعیت توضیح داده می شود که محصولات تشکیل شده در طی واکنش های فتوشیمیایی زمان لازم برای پردازش در واکنش های تاریک را ندارند. مقدار کمی کلروفیل اجازه می دهد تا تمام محصولات تشکیل شده در واکنش فتوشیمیایی به سرعت و به طور کامل در طول واکنش تاریک پردازش شوند.

چگونه انرژی نور خورشید در فازهای روشن و تاریک فتوسنتز به انرژی پیوندهای شیمیایی گلوکز تبدیل می شود؟ پاسخ خود را توضیح دهید.

پاسخ

در فاز نوری فتوسنتز، انرژی نور خورشید به انرژی الکترون های برانگیخته و سپس انرژی الکترون های برانگیخته به انرژی ATP و NADP-H2 تبدیل می شود. در فاز تاریک فتوسنتز، انرژی ATP و NADP-H2 به انرژی پیوندهای شیمیایی گلوکز تبدیل می شود.

در مرحله نور فتوسنتز چه اتفاقی می افتد؟

پاسخ

الکترون های کلروفیل که توسط انرژی نوری برانگیخته می شوند، در امتداد زنجیره های انتقال الکترون حرکت می کنند، انرژی آنها در ATP و NADP-H2 ذخیره می شود. فتولیز آب رخ می دهد و اکسیژن آزاد می شود.

چه فرآیندهای اصلی در مرحله تاریک فتوسنتز رخ می دهد؟

پاسخ

از دی اکسید کربن به دست آمده از جو و هیدروژن به دست آمده در فاز سبک، گلوکز به دلیل انرژی ATP به دست آمده در فاز سبک تشکیل می شود.

عملکرد کلروفیل در سلول گیاهی چیست؟

پاسخ

کلروفیل در فرآیند فتوسنتز نقش دارد: در فاز نور، کلروفیل نور را جذب می کند، الکترون کلروفیل انرژی نور را دریافت می کند، شکسته می شود و در امتداد زنجیره انتقال الکترون می رود.

الکترون های مولکول های کلروفیل چه نقشی در فتوسنتز دارند؟

پاسخ

الکترون های کلروفیل که توسط نور خورشید برانگیخته می شوند، از زنجیره های انتقال الکترون عبور می کنند و انرژی خود را برای تشکیل ATP و NADP-H2 تسلیم می کنند.

در چه مرحله ای از فتوسنتز اکسیژن آزاد تشکیل می شود؟

پاسخ

در فاز نور، در طول فتولیز آب.

سنتز ATP در کدام مرحله از فتوسنتز اتفاق می افتد؟

پاسخ

فاز پیش نور.

چه ماده ای به عنوان منبع اکسیژن در طول فتوسنتز عمل می کند؟

پاسخ

آب (اکسیژن در طول فتولیز آب آزاد می شود).

سرعت فتوسنتز به عوامل محدود کننده از جمله نور، غلظت دی اکسید کربن و دما بستگی دارد. چرا این عوامل برای واکنش های فتوسنتز محدود کننده هستند؟

پاسخ

نور برای برانگیختن کلروفیل ضروری است، انرژی را برای فرآیند فتوسنتز تامین می کند. دی اکسید کربن در فاز تاریک فتوسنتز ضروری است و گلوکز از آن سنتز می شود. تغییرات دما منجر به دناتوره شدن آنزیم ها و کاهش سرعت واکنش های فتوسنتزی می شود.

در چه واکنش های متابولیکی در گیاهان دی اکسید کربن ماده اولیه سنتز کربوهیدرات ها است؟

پاسخ

در واکنش های فتوسنتز

فرآیند فتوسنتز به شدت در برگ گیاهان اتفاق می افتد. آیا در میوه های رسیده و نارس وجود دارد؟ پاسخ خود را توضیح دهید.

پاسخ

فتوسنتز در قسمت های سبز گیاهان در نور اتفاق می افتد. بنابراین، فتوسنتز در پوست میوه های سبز رخ می دهد. فتوسنتز در داخل میوه یا در پوست میوه های رسیده (نه سبز رنگ) اتفاق نمی افتد.

چگونه می توان چنین فرآیند پیچیده ای مانند فتوسنتز را به طور مختصر و واضح توضیح داد؟ گیاهان تنها موجودات زنده ای هستند که می توانند غذای خود را تولید کنند. چگونه این کار را انجام می دهند؟ برای رشد، آنها تمام مواد لازم را از محیط دریافت می کنند: دی اکسید کربن از هوا، آب و از خاک. آنها همچنین به انرژی نیاز دارند که از پرتوهای خورشید دریافت می کنند. این انرژی واکنش های شیمیایی خاصی را ایجاد می کند که طی آن دی اکسید کربن و آب به گلوکز (غذا) تبدیل می شوند و فتوسنتز می شوند. ماهیت این فرآیند را می توان به طور خلاصه و واضح حتی برای کودکان در سن مدرسه توضیح داد.

"همراه با نور"

کلمه "فتوسنتز" از دو کلمه یونانی - "عکس" و "سنتز" گرفته شده است که ترکیب آنها به معنای "همراه با نور" است. انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. معادله شیمیایی فتوسنتز:

6CO 2 + 12H 2 O + نور = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O.

این بدان معناست که از 6 مولکول دی اکسید کربن و دوازده مولکول آب (به همراه نور خورشید) برای تولید گلوکز استفاده می شود که در نتیجه شش مولکول اکسیژن و شش مولکول آب به وجود می آید. اگر این را به عنوان یک معادله کلامی نشان دهید، به صورت زیر به دست می آورید:

آب + خورشید => گلوکز + اکسیژن + آب.

خورشید منبع بسیار قوی انرژی است. مردم همیشه سعی می کنند از آن برای تولید برق، عایق کاری خانه ها، گرم کردن آب و غیره استفاده کنند. گیاهان میلیون ها سال پیش چگونگی استفاده از انرژی خورشیدی را "پیدا کردند" زیرا برای بقای آنها ضروری بود. فتوسنتز را می توان به طور مختصر و واضح توضیح داد: گیاهان از انرژی نور خورشید استفاده می کنند و آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند که حاصل آن قند (گلوکز) است که مازاد آن به صورت نشاسته در برگ ها، ریشه ها، ساقه ها ذخیره می شود. و دانه های گیاه انرژی خورشید به گیاهان و همچنین به حیواناتی که از این گیاهان می خورند منتقل می شود. زمانی که گیاه برای رشد و سایر فرآیندهای زندگی به مواد مغذی نیاز دارد، این ذخایر بسیار مفید هستند.

گیاهان چگونه انرژی خورشید را جذب می کنند؟

با صحبت کوتاه و واضح در مورد فتوسنتز، باید به این سوال پرداخته شود که گیاهان چگونه انرژی خورشیدی را جذب می کنند. این به دلیل ساختار خاص برگ ها رخ می دهد که شامل سلول های سبز - کلروپلاست ها است که حاوی ماده خاصی به نام کلروفیل است. این همان چیزی است که به برگ ها رنگ سبز می دهد و مسئول جذب انرژی از نور خورشید است.

چرا بیشتر برگها پهن و مسطح هستند؟

فتوسنتز در برگ گیاهان اتفاق می افتد. واقعیت شگفت انگیز این است که گیاهان به خوبی برای جذب نور خورشید و جذب دی اکسید کربن سازگار هستند. به لطف سطح گسترده، نور بسیار بیشتری جذب خواهد شد. به همین دلیل است که پنل های خورشیدی که گاهی بر روی پشت بام خانه ها نصب می شوند نیز پهن و مسطح هستند. هر چه سطح بزرگتر باشد، جذب بهتری دارد.

چه چیز دیگری برای گیاهان مهم است؟

مانند مردم، گیاهان نیز برای سالم ماندن، رشد و انجام عملکردهای حیاتی خود به مواد مغذی مفید نیاز دارند. آنها مواد معدنی حل شده در آب را از طریق ریشه خود از خاک بدست می آورند. اگر خاک فاقد مواد مغذی معدنی باشد، گیاه به طور طبیعی رشد نمی کند. کشاورزان اغلب خاک را آزمایش می کنند تا اطمینان حاصل کنند که مواد مغذی کافی برای رشد محصولات دارد. در غیر این صورت به استفاده از کودهای حاوی مواد معدنی ضروری برای تغذیه و رشد گیاه متوسل شوید.

چرا فتوسنتز اینقدر مهم است؟

برای توضیح مختصر و واضح فتوسنتز برای کودکان، شایان ذکر است که این فرآیند یکی از مهم ترین واکنش های شیمیایی در جهان است. چه دلایلی برای چنین بیانیه پر سر و صدایی وجود دارد؟ اول، فتوسنتز گیاهان را تغذیه می کند، که به نوبه خود همه موجودات زنده روی کره زمین، از جمله حیوانات و انسان ها را تغذیه می کنند. ثانیاً، در نتیجه فتوسنتز، اکسیژن لازم برای تنفس در جو آزاد می شود. همه موجودات زنده اکسیژن را استنشاق می کنند و دی اکسید کربن را بازدم می کنند. خوشبختانه گیاهان برعکس عمل می کنند، بنابراین برای انسان و حیوانات بسیار مهم هستند، زیرا به آنها توانایی تنفس می دهند.

روند شگفت انگیز

به نظر می رسد گیاهان نیز می دانند چگونه نفس بکشند، اما بر خلاف انسان ها و حیوانات، دی اکسید کربن را از هوا جذب می کنند، نه اکسیژن. گیاهان هم می نوشند. به همین دلیل است که باید به آنها آب بدهید وگرنه می میرند. با کمک سیستم ریشه، آب و مواد غذایی به تمام قسمت های بدن گیاه منتقل می شود و دی اکسید کربن از طریق سوراخ های کوچک روی برگ ها جذب می شود. محرک شروع یک واکنش شیمیایی نور خورشید است. تمام محصولات متابولیک به دست آمده توسط گیاهان برای تغذیه استفاده می شود، اکسیژن در جو آزاد می شود. به این ترتیب می توانید به طور مختصر و واضح توضیح دهید که فرآیند فتوسنتز چگونه اتفاق می افتد.

فتوسنتز: مراحل روشن و تاریک فتوسنتز

فرآیند مورد بررسی از دو بخش اصلی تشکیل شده است. دو مرحله فتوسنتز وجود دارد (توضیحات و جدول زیر). اولین مرحله فاز نور نامیده می شود. این تنها در حضور نور در غشاهای تیلاکوئید با مشارکت کلروفیل، پروتئین های انتقال الکترون و آنزیم سنتتاز ATP رخ می دهد. فتوسنتز چه چیز دیگری را پنهان می کند؟ نور و جایگزینی یکدیگر به عنوان پیشرفت روز و شب (چرخه های کالوین). در طول فاز تاریک، تولید همان گلوکز، غذا برای گیاهان، اتفاق می افتد. این فرآیند واکنش مستقل از نور نیز نامیده می شود.

فاز نور

فاز تاریک

1. واکنش هایی که در کلروپلاست ها رخ می دهد تنها در حضور نور امکان پذیر است. در این واکنش ها انرژی نور به انرژی شیمیایی تبدیل می شود 2. کلروفیل و سایر رنگدانه ها انرژی نور خورشید را جذب می کنند. این انرژی به فتوسیستم های مسئول فتوسنتز منتقل می شود 3. آب برای الکترون ها و یون های هیدروژن استفاده می شود و در تولید اکسیژن نیز نقش دارد 4. از الکترون ها و یون های هیدروژن برای ایجاد ATP (مولکول ذخیره انرژی) استفاده می شود که در مرحله بعدی فتوسنتز مورد نیاز است.

1. واکنش های چرخه فوق نور در استرومای کلروپلاست ها رخ می دهد 2. دی اکسید کربن و انرژی حاصل از ATP به شکل گلوکز استفاده می شود

نتیجه

از مجموع موارد فوق می توان به نتایج زیر دست یافت:

• فتوسنتز فرآیندی است که از خورشید انرژی تولید می کند.
• انرژی نور خورشید توسط کلروفیل به انرژی شیمیایی تبدیل می شود.
• کلروفیل به گیاهان رنگ سبز می دهد.
• فتوسنتز در کلروپلاست سلول های برگ گیاه اتفاق می افتد.
• دی اکسید کربن و آب برای فتوسنتز ضروری هستند.
• دی اکسید کربن از طریق سوراخ های ریز، روزنه ها وارد گیاه می شود و اکسیژن از آنها خارج می شود.
• آب از طریق ریشه جذب گیاه می شود.
• بدون فتوسنتز هیچ غذایی در جهان وجود نخواهد داشت.