التفاعلات الضوئية واللاضوئية، عملية البناء الضوئي

  • Sayed
  •  مقارنة بين التفاعلات الضوئية واللاضوئية

    تحتاج الخلايا النباتية إلى مصدر للطاقة الكيميائية والذي يمكن استخدامه للاستمرار في التفاعلات الكيميائية.

     النباتات الخضراء تستخدم الضوء لتحويل الجزيئات غير العضوية إلى جزيئات عضوية (سكريات) باستخدام عملية البناء الضوئي.
    لكن، هل يمكن شرح الخطوات التي تنطوي عليها؟

    معادلة البناء الضوئي:

    غاز ثاني أكسيد الكربون + الماء + وجود ضوء الشمس+ وجود الكلوروفيل ← غاز الأكسجين+ الماء+ جلوكوز (بديل السكر)

    6CO2 + 6H2 + sunlight  C6H12O6 + 6O2

    المرحلة الأولى: التفاعلات المعتمدة على الضوء

    كلوروفيل

    أثناء التفاعلات المعتمدة على الضوء، يتم التقاط فوتونات الضوء المشعة من الشمس بواسطة مجموعتين من مركبات البروتين التي تسمى النظام الضوئي الأول والنظام الضوئي الثاني. تقع هذه الأنظمة الضوئية على غشاء الثايلاكويد، والتي توجد داخل البلاستيدات الخضراء.
    الأنظمة الضوئية تحتوي على الكلوروفيل وعلى أصباغ أخرى ماصة للضوء.
    أغشية الثايلاكويد تحيط بالثايلاكويدات وتحتوي على الكلوروفيل الذي يلتقط الطاقة الموجودة فى فوتونات ضوء الشمس.
    تُستخدم هذه الطاقة لإثارة الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى. يتم تمرير هذه الإلكترونات على طول أغشية الثايلاكويد عبر سلسلة نقل الإلكترونات.

    المرحلة الاولى، التفاعلات القائمة على الضوء
    المرحلة الاولى، التفاعلات القائمة على الضوء - كلوروفيل

    نقل الإلكترون

    يتم حمل الإلكترونات المتولدة في الكلوروفيل داخل النظام الضوئي على طول سلسلة نقل الإلكترونات، سلسلة من البروتينات في غشاء الثايلاكويد.
    يؤخذ الماء ويتحلل بواسطة بروتينات خاصة تسمى الإنزيمات أثناء هذه العملية إلى أيونات الهيدروجين والإلكترونات. تتحرك الإلكترونات إلى أسفل سلسلة نقل الإلكترونات وتساعد طاقتها في ضخ أيونات الهيدروجين (+H) في تجويف الثايلاكويد عكس تدرج التركيز، مما ينشئ نوعًا من مستودع للتخزين.
    بعد ذلك، تنتقل الإلكترونات إلى النظام الضوئي الأول.
    يتم إنتاج الأكسجين (O2) كناتج ثانوي لتحلل الماء.
    تحل الإلكترونات الناتجة من الماء محل الإلكترونات التي تركت الكلوروفيل.

    تكوين أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)

    إن النظام الضوئي الثاني هو أول من أثار إلكترونًا، والذي ينتقل بعد ذلك إلى النظام الضوئي الأول. وتنشأ الأسماء المربكة نتيجة تسمية الأنظمة الضوئية بالترتيب الذي تم اكتشافها به.
    تُستخدم الإلكترونات المثارة الناتجة عن الأنظمة الضوئية لإنتاج جزئ تخزين الطاقة نيكوتين اميد أدينين ثنائي نيوكليوتيد الفوسفات (NADPH) من نيكوتين اميد أدينين فوسفات ثنائي نيوكليوتيد المؤكسد NADP+. في البناء الضوئي
    ، إن نيكوتين اميد أدينين ثنائي نيوكليوتيد الفوسفات (NADPH) مثل سيارة الأجرة، يحمل إلكترونات من التفاعلات المعتمدة على الضوء إلى تلك غير المعتمدة على الضوء.
    تترك أيونات الهيدروجين التي تم ضخها في الثايلاكويد خلال قناة بروتينية في الغشاء المسمى مكوِّن أدينوسين ثلاثى الفوسفات (ATP)، والذي يكوِّن الجزيء الحامل للطاقة ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) عن طريق إضافة فوسفات إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP).
    تُستخدم الجزيئات التي تحمل الطاقة - نيكوتين اميد أدينين ثنائي نيوكليوتيد الفوسفات (NADPH) وأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) - في التفاعلات غير المعتمدة على الضوء (التفاعلات اللاضوئية) لصنع السكريات وغيرها من كتل البناء النباتية.
    تكوين أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)
    التفاعلات الضوئية واللاضوئية - تكوين أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)

    المرحلة الثانية: التفاعلات غير المعتمدة على الضوء (تفاعلات الظلام)

    التفاعلات غير المعتمدة على الضوء مقابل التفاعلات اللاضوئية

    في حين أن هذه المرحلة من عملية البناء الضوئي تسمى أحيانًا التفاعل اللاضوئي، إلا أنها تحدث فعليًا في ضوء النهار وفي الظلام.
    لا يتطلب الأمر الضوء كما يحدث في المرحلة الأولى من البناء الضوئي.
    كل ما نحتاج إليه هو أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ونيكوتين اميد أدينين ثنائي نيوكليوتيد الفوسفات (NADPH) الذي ينشأ من التفاعلات المعتمدة على الضوء.
    من هذه النقطة فصاعدًا، سنشير إلى هذه المرحلة باسم "التفاعلات غير المعتمدة على الضوء".

    التفاعلات اللاضوئية
    التفاعلات اللاضوئية

    مرحلة تثبيت الكربون

    تحدث التفاعلات غير المعتمدة على الضوء في النخاع أو الحشوة ( تسمى ستروما) البلاستيدات الخضراء في سلسلة من التفاعلات الكيميائي تُسمى بدورة كالفن.
    سميت بعد اكتشاف العالم لها. تسميها بعض المصادر بدورة كالفن - بنسون، وذلك بعد اسهامات عالم آخر فى هذا الاكتشاف.
    تستخدم الدورة ATP وNADPH الناتجة من عملية البناء الضوئي المعتمدة على الضوء لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سكريات بسيطة مثل الجلوكوز.
    تتم إضافة جزئ واحد من CO2 إلى دورة كالفن في كل دور.
    يتم إضافة ثاني أكسيد الكربون إلى سكر مكون من عدد(5 ) كربونات يُسمى ريبولوز ثنائي الفوسفات (RuBP). 
    يضيف هذا الكربون إنزيم يسمى RuBisCO (كربوكسيليز ريبولوز ثنائي فوسفات )
    تُظهر المخططات المبسطة العديد من الجزيئات المضافة في مرة واحدة، مبينةً كيفية تكوين ستة جزيئات كربون (مثل الجلوكوز)
    يشير المصطلح "تثبيت الكربون" إلى أن ثاني أكسيد الكربون غير العضوي يصبح جزءًا من جزيء عضوي (كربون حيوي).

    مرحلة تصنيع السكر

    بعد إضافة جزيء ثاني أكسيد الكربون إلى الريبولوز ثنائي الفوسفات (RuBP) الذي به 5 ذرات كربون، يتكون جزيء سداسي الكربون سريعًا.
    تلزم طاقة وينكسر الجزيء سداسي الكربون إلى جزيئين بكل واحد منهما ثلاث جزيئات كربون.
    يُستخدم الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لنقل هذه الجزيئات إلى مرحلة طاقة أعلى.
    يستقر معظم الكربون في دورة كالفن، ولكن سيترك الدورة جزيء ثلاثي الكربون ليساهم في النواتج التي يحتاج إليها النبات، مثل السكريات والنشويات والأحماض الأمينية والسليلوز وغيرها.( راجع المغذيات النباتية ) 
    دورة كالفن بنسون ، التفاعلات اللاضوئية
    دورة كالفن بنسون ، التفاعلات اللاضوئية

    مرحلة إعادة التدوير

    تُستخدم جزيئات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لتوفير الطاقة اللازمة لتغيير الجزيء ثلاثي الكربون المستمر في دورة كالفن ليعود مرة أخرى إلى الجزيئات خماسية الكربون.
    تُضاف هذه الجزيئات فيما بعد إلى جزيئات CO2 جديدة لأن دورة كالفن تعيد نفسها.

    يُعاد استخدام نيكوتين اميد أدينين ثنائي نيوكليوتيد الفوسفات (NADPH) وأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ADP) المنتجَة في التفاعلات المعتمدة على الضوء.

    تنتج التفاعلات المعتمدة على الضوء المنتجات اللازمة للتفاعلات غير المعتمدة على الضوء (أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ونيكوتين اميد أدينين ثنائي نيوكليوتيد الفوسفات (NADPH) وتستخدمها التفاعلات غير المعتمدة على الضوء وتعيدها لإعادة تنشيطها.

    أهمية عملية البناء الضوئي

    • البناء الضوئي مسؤولٌ عن إنتاج الأكسجين، والذي تموت معظم الكائنات الحية بدونه.
    • التمثيل الضوئي ضروريٌّ لوجود كل أشكال الحياة على سطح الأرض، ويلعب دورًا مهمًّا في السلسلة الغذائية
    • تتطلب العمليات الحيوية لجميع الكائنات الحية (ابتداءً من البكتيريا ووصولًا إلى البشر) توفُّر الطاقة، تخزن العديد من الكائنات الحية الطاقة اللازمة لها عن طريق تناول الطعام، إذ تأكل الحيوانات آكلة اللحوم الحيوانات الأخرى، وتأكل العواشب النباتات.
    • في نهاية المطاف، يمكن إرجاع كل هذه الطاقة إلى الطاقة الضوئية من الشمس، والتي تحولت بفعل عملية البناء الضوئي إلى طاقةٍ كيميائيةٍ مختزنة في جزيئات الجلوكوز. 

    اهم المصطلحات الواردة فى الموضوع :

    • غشاء الثايلاكويد
    • تفاعلات معتمدة على الضوء (التفاعلات الضوئية)
    • تفاعلات غير معتمدة على الضوء (التفاعلات اللاضوئية)
    • النظام الضوئي
    • سلسلة نقل الإلكترونات
    • أدينوسين ثلاثى الفوسفات (ATP)
    • مكوِّن أدينوسين ثلاثى الفوسفات (ATP)
    • نيكوتين أميد ثنائي نيوكليوتيد الفوسفات (NADPH)
    • دورة كالفن
    • إنزيم روبيسكو

    المراجع العلمية

    • Overview of Photosynthesis، من موقع: photosynthesiseducation.com
    • Photosynthesis – Everything You Need to Know، من موقع: byjus.com
    • Introduction to Photosynthesis، من موقع: www.toppr.com
    • Boundless Biology، من موقع: courses.lumenlearning.com

    اشتركـ لتكون عضواً في الموقع