Երբևէ մտածե՞լ եք, թե քանի կենդանի օրգանիզմ կա մոլորակի վրա: Եվ ի վերջո, նրանք բոլորն էլ պետք է ներշնչեն թթվածին, որպեսզի էներգիա գեներացնեն և արտաշնչեն ածխաթթու գազ: Հենց ածխաթթու գազն է սենյակում խցկվածության նման երեւույթի հիմնական պատճառը։ Այն տեղի է ունենում, երբ այնտեղ շատ մարդիկ կան, և սենյակը երկար ժամանակ չի օդափոխվում։ Բացի այդ, արդյունաբերական օբյեկտները, մասնավոր ավտոմեքենաները և հասարակական տրանսպորտը օդը լցնում են թունավոր նյութերով։
Հաշվի առնելով վերը նշվածը, միանգամայն տրամաբանական հարց է առաջանում՝ ինչպե՞ս մենք չխեղդվեցինք այն ժամանակ, եթե ողջ կյանքը թունավոր ածխաթթու գազի աղբյուր է։ Այս իրավիճակում բոլոր կենդանի էակների փրկիչը ֆոտոսինթեզն է: Ի՞նչ է այս գործընթացը և ինչո՞ւ է այն անհրաժեշտ:
Դրա արդյունքը ածխաթթու գազի հավասարակշռության ճշգրտումն է և օդի հագեցվածությունը թթվածնով։ Նման գործընթացը հայտնի է միայն բուսական աշխարհի, այսինքն՝ բույսերի ներկայացուցիչներին, քանի որ այն տեղի է ունենում միայն նրանց բջիջներում։
Ֆոտոսինթեզն ինքնին չափազանց բարդ պրոցեդուրա է, որը կախված է որոշակի պայմաններից և տեղի է ունենում մի քանիփուլեր.
Հայեցակարգի սահմանում
Համաձայն գիտական սահմանման՝ օրգանական նյութերը վերածվում են օրգանական նյութերի ֆոտոսինթեզի ընթացքում ավտոտրոֆ օրգանիզմներում բջջային մակարդակում՝ արևի լույսի ազդեցության պատճառով։
Ավելի պարզ ասած, ֆոտոսինթեզն այն գործընթացն է, որով տեղի է ունենում հետևյալը.
- Բույսը հագեցած է խոնավությամբ։ Խոնավության աղբյուրը կարող է լինել գետնի ջուրը կամ խոնավ արևադարձային օդը։
- Քլորոֆիլը (բույսերի մեջ հայտնաբերված հատուկ նյութ) արձագանքում է արևային էներգիային։
- Ֆլորայի ներկայացուցիչներին անհրաժեշտ սննդի ձևավորում, որը նրանք չեն կարողանում ինքնուրույն ստանալ հետերոտրոֆ ճանապարհով, բայց իրենք են դրա արտադրողը։ Այլ կերպ ասած, բույսերը ուտում են այն, ինչ արտադրում են: Սա ֆոտոսինթեզի արդյունք է։
Փուլ
Գրականում յուրաքանչյուր բույս պարունակում է կանաչ նյութ, որի շնորհիվ այն կարող է կլանել լույսը։ Այս նյութը ոչ այլ ինչ է, քան քլորոֆիլ: Նրա գտնվելու վայրը քլորոպլաստներն են։ Բայց քլորոպլաստները գտնվում են բույսի ցողունային մասում և նրա պտուղներում։ Բայց բնության մեջ հատկապես տարածված է տերևների ֆոտոսինթեզը: Քանի որ վերջինս բավականին պարզ է իր կառուցվածքով և ունի համեմատաբար մեծ մակերես, ինչը նշանակում է, որ փրկարարական գործընթացի համար պահանջվող էներգիայի քանակը շատ ավելի մեծ կլինի։
Երբ լույսը ներծծվում է քլորոֆիլով, վերջինս գտնվում է հուզմունքի վիճակում և դրաէներգիայի հաղորդագրությունները փոխանցում է բույսի այլ օրգանական մոլեկուլներին: Նման էներգիայի ամենամեծ քանակությունը հասնում է ֆոտոսինթեզի գործընթացի մասնակիցներին։
Փուլ Երկրորդ
Ֆոտոսինթեզի առաջացումը երկրորդ փուլում չի պահանջում լույսի պարտադիր մասնակցություն։ Այն բաղկացած է օդի զանգվածներից և ջրից առաջացած թունավոր ածխածնի երկօքսիդի օգտագործմամբ քիմիական կապերի ձևավորման մեջ: Գոյություն ունի նաև բազմաթիվ նյութերի սինթեզ, որոնք ապահովում են բուսական աշխարհի ներկայացուցիչների կենսագործունեությունը։ Սրանք օսլա, գլյուկոզա են։
Բույսերում նման օրգանական տարրերը հանդես են գալիս որպես բույսի առանձին մասերի սնուցման աղբյուր՝ միաժամանակ ապահովելով կյանքի գործընթացների բնականոն ընթացքը։ Նման նյութեր ստանում են նաև կենդանական աշխարհի ներկայացուցիչները, որոնք ուտում են բույսերը սննդի համար։ Մարդու օրգանիզմն այդ նյութերով հագեցվում է սննդի միջոցով, որը ներառված է ամենօրյա սննդակարգում։
Ինչ? Որտեղ? Ե՞րբ:
Օրգանական նյութերը օրգանական դառնալու համար անհրաժեշտ է համապատասխան պայմաններ ապահովել ֆոտոսինթեզի համար։ Դիտարկվող գործընթացի համար առաջին հերթին լույս է անհրաժեշտ։ Խոսքը արհեստական ու արևի լույսի մասին է։ Բնության մեջ բույսերի ակտիվությունը սովորաբար բնութագրվում է ինտենսիվությամբ գարնանը և ամռանը, այսինքն՝ երբ մեծ քանակությամբ արևային էներգիայի կարիք կա։ Ինչ չի կարելի ասել աշնանային սեզոնի մասին, երբ լույսը գնալով պակասում է, օրն ավելի է կարճանում։ Արդյունքում, սաղարթը դառնում է դեղին, այնուհետև ամբողջությամբ ընկնում է: Բայց հենց որ արեւի առաջին գարնանային շողերը շողան, կանաչ խոտ կբարձրանա, նրանք անմիջապես կվերսկսեն իրենց գործունեությունը։կսկսվի քլորոֆիլները և թթվածնի և այլ կենսական սնուցիչների ակտիվ արտադրությունը:
Ֆոտոսինթեզի պայմանները ներառում են ավելին, քան պարզապես լույսը: Խոնավությունը նույնպես պետք է բավարար լինի: Չէ՞ որ բույսը սկզբում կլանում է խոնավությունը, իսկ հետո սկսվում է ռեակցիա՝ արեգակնային էներգիայի մասնակցությամբ։ Բուսական սնունդը այս գործընթացի արդյունքն է։
Միայն կանաչ նյութի առկայության դեպքում է տեղի ունենում ֆոտոսինթեզ: Ինչ են քլորոֆիլները, մենք արդեն ասել ենք վերևում: Նրանք հանդես են գալիս որպես հաղորդիչ լույսի կամ արեգակնային էներգիայի և բուն բույսի միջև՝ ապահովելով նրանց կյանքի և գործունեության պատշաճ ընթացքը։ Կանաչ նյութերն ունեն արևի շատ ճառագայթներ կլանելու հատկություն։
Թթվածինը նույնպես կարևոր դեր է խաղում։ Որպեսզի ֆոտոսինթեզի գործընթացը հաջող լինի, բույսերը դրա շատ կարիք ունեն, քանի որ այն պարունակում է ընդամենը 0,03% ածխաթթու: Այսպիսով, 20000 մ3 օդից կարող եք ստանալ 6 մ3 թթու: Հենց վերջին նյութն է գլյուկոզայի հիմնական աղբյուրը, որն էլ իր հերթին կյանքի համար անհրաժեշտ նյութ է։
Ֆոտոսինթեզի երկու փուլ կա. Առաջինը կոչվում է լույս, երկրորդը՝ մութ։
Ո՞րն է լուսային փուլի հոսքի մեխանիզմը
Ֆոտոսինթեզի լուսային փուլն այլ անուն ունի՝ ֆոտոքիմիական։ Այս փուլի հիմնական մասնակիցներն են՝
- արևային էներգիա;
- գունանյութերի բազմազանություն.
Առաջին բաղադրիչով ամեն ինչ պարզ է, դա արևի լույս է։ ԲԱՅՑահա թե ինչ են պիգմենտները, ոչ բոլորը գիտեն: Նրանք կանաչ, դեղին, կարմիր կամ կապույտ են: «A» և «B» խմբերի քլորոֆիլները պատկանում են կանաչին, ֆիկոբիլինները՝ դեղին և կարմիր/կապույտ, համապատասխանաբար: Գործընթացի այս փուլում մասնակիցների շրջանում ֆոտոքիմիական ակտիվությունը ցուցադրվում է միայն «Ա» քլորոֆիլներով։ Մնացածը լրացնող դեր են խաղում, որի էությունը լույսի քվանտների հավաքումն է և դրանց տեղափոխումը ֆոտոքիմիական կենտրոն։
Քլորոֆիլին օժտված է որոշակի ալիքի երկարությամբ արեգակնային էներգիան արդյունավետորեն կլանելու ունակությամբ, բացահայտվել են հետևյալ ֆոտոքիմիական համակարգերը՝
- Ֆոտոքիմիական կենտրոն 1 («Ա» խմբի կանաչ նյութեր) - բաղադրության մեջ ներառված է 700 պիգմենտը, որը կլանում է լույսի ճառագայթները, որի երկարությունը մոտավորապես 700 նմ է։ Այս պիգմենտը հիմնարար դեր է խաղում ֆոտոսինթեզի թեթև փուլի արտադրանքի ստեղծման գործում:
- Ֆոտոքիմիական կենտրոն 2 («B» խմբի կանաչ նյութեր) - բաղադրությունը ներառում է 680 գունանյութ, որը կլանում է լույսի ճառագայթները, որի երկարությունը 680 նմ է։ Նա երկրորդական դեր ունի, որը բաղկացած է ֆոտոքիմիական կենտրոնի 1-ի կորցրած էլեկտրոնների համալրման ֆունկցիայից։ Այն ձեռք է բերվում հեղուկի հիդրոլիզի շնորհիվ։
350–400 պիգմենտային մոլեկուլների համար, որոնք կենտրոնացնում են լույսի հոսքերը 1 և 2 ֆոտոհամակարգերում, կա պիգմենտի միայն մեկ մոլեկուլ, որը ֆոտոքիմիապես ակտիվ է՝ «A» խմբի քլորոֆիլը։
Ինչ է կատարվում?
1. Բույսի կողմից կլանված լույսի էներգիան ազդում է դրա մեջ պարունակվող 700 պիգմենտի վրա, որը նորմալ վիճակից անցնում է գրգռված վիճակի։ Պիգմենտը կորցնում էէլեկտրոն, որի արդյունքում ձևավորվում է այսպես կոչված էլեկտրոնային անցքը: Ավելին, պիգմենտի մոլեկուլը, որը կորցրել է էլեկտրոնը, կարող է հանդես գալ որպես դրա ընդունող, այսինքն՝ էլեկտրոն ընդունող կողմ և վերադառնալ իր ձևին:
2. Հեղուկի տարրալուծման գործընթացը ֆոտոհամակարգ 2-ի լույս կլանող պիգմենտի 680 ֆոտոքիմիական կենտրոնում: Ջրի տարրալուծման ժամանակ առաջանում են էլեկտրոններ, որոնք սկզբում ընդունվում են այնպիսի նյութով, ինչպիսին է C550 ցիտոքրոմը և նշվում են Q տառով:, ցիտոքրոմից էլեկտրոնները մտնում են կրիչի շղթան և տեղափոխվում ֆոտոքիմիական կենտրոն 1՝ լրացնելու էլեկտրոնային անցքը, որը լույսի քվանտների ներթափանցման և 700 պիգմենտի վերացման գործընթացի արդյունք էր։
Կան դեպքեր, երբ նման մոլեկուլը հետ է ստանում նախորդին նույնական էլեկտրոն: Սա կհանգեցնի լույսի էներգիայի արտազատմանը ջերմության տեսքով: Բայց գրեթե միշտ բացասական լիցք ունեցող էլեկտրոնը միավորվում է հատուկ երկաթ-ծծմբային սպիտակուցների հետ և շղթաներից մեկի երկայնքով տեղափոխվում է պիգմենտ 700, կամ մտնում է մեկ այլ կրիչ շղթա և վերամիավորվում մշտական ընդունիչի հետ::
Առաջին տարբերակում առկա է ցիկլային փակ տիպի էլեկտրոնային փոխադրում, երկրորդում՝ ոչ ցիկլային։
Երկու գործընթացներն էլ կատալիզացվում են էլեկտրոնների կրիչների նույն շղթայով ֆոտոսինթեզի առաջին փուլում։ Բայց պետք է նշել, որ ցիկլային տիպի ֆոտոֆոսֆորիլացման ժամանակ փոխադրման սկզբնական և միևնույն ժամանակ վերջնակետը քլորոֆիլն է, մինչդեռ ոչ ցիկլային փոխադրումը ենթադրում է «B» խմբի կանաչ նյութի անցում.քլորոֆիլ «A».
Ցիկլային տրանսպորտի առանձնահատկությունները
Ցիկլային ֆոսֆորիլացումը կոչվում է նաև ֆոտոսինթետիկ: Այս գործընթացի արդյունքում ձևավորվում են ATP մոլեկուլներ: Այս փոխադրումը հիմնված է գրգռված վիճակում էլեկտրոնների վերադարձի վրա մի քանի հաջորդական փուլերով պիգմենտին 700, որի արդյունքում էներգիա է անջատվում, որը մասնակցում է ֆոսֆորիլացնող ֆերմենտային համակարգի աշխատանքին՝ ATP ֆոսֆատում հետագա կուտակման նպատակով: պարտատոմսեր. Այսինքն՝ էներգիան չի ցրվում։
Ցիկլային ֆոսֆորիլացումը ֆոտոսինթեզի առաջնային ռեակցիան է, որը հիմնված է քլորոպլաստ թիլակտոիդների թաղանթային մակերեսների վրա քիմիական էներգիա առաջացնելու տեխնոլոգիայի վրա՝ օգտագործելով արևի լույսի էներգիան։
Առանց ֆոտոսինթետիկ ֆոսֆորիլացման, ձուլման ռեակցիաները ֆոտոսինթեզի մութ փուլում անհնար են:
Ոչ ցիկլային տիպի փոխադրման նրբությունները
Գործընթացը բաղկացած է NADP+-ի վերականգնումից և NADPH-ի ձևավորումից: Մեխանիզմը հիմնված է էլեկտրոնի տեղափոխման վրա ֆերեդոքսին, դրա վերականգնողական ռեակցիան և հետագա անցումը դեպի NADP+՝ հետագա կրճատմամբ դեպի NADPH։
Արդյունքում 700 պիգմենտը կորցրած էլեկտրոնները համալրվում են ջրի էլեկտրոնների շնորհիվ, որոնք քայքայվում են լուսային ճառագայթների տակ ֆոտոհամակարգում 2.
Էլեկտրոնների ոչ ցիկլային ուղին, որի հոսքը ենթադրում է նաև լուսային ֆոտոսինթեզ, իրականացվում է երկու ֆոտոհամակարգերի փոխազդեցության միջոցով՝ կապելով նրանց էլեկտրոնների փոխադրման շղթաները։ Լուսավորէներգիան ուղղորդում է էլեկտրոնների հոսքը հետ: Ֆոտոքիմիական կենտրոն 1-ից կենտրոն 2 տեղափոխելիս էլեկտրոնները կորցնում են իրենց էներգիայի մի մասը թիլակտոիդների թաղանթային մակերեսի վրա որպես պրոտոնային պոտենցիալ կուտակվելու պատճառով:
Ֆոտոսինթեզի մութ փուլում էլեկտրոնների տեղափոխման շղթայում պրոտոնային պոտենցիալի ստեղծման և քլորոպլաստներում ATP-ի ձևավորման համար դրա շահագործման գործընթացը գրեթե ամբողջությամբ նույնական է միտոքոնդրիումի նույն գործընթացին: Բայց առանձնահատկությունները դեռ առկա են: Այս իրավիճակում թիլակտոիդները միտոքոնդրիաներ են՝ շրջված ներսից: Սա հիմնական պատճառն է, որ էլեկտրոնները և պրոտոնները մեմբրանի միջով շարժվում են հակառակ ուղղությամբ՝ համեմատած միտոքոնդրիալ մեմբրանի տրանսպորտային հոսքի հետ: Էլեկտրոնները տեղափոխվում են դրս, մինչդեռ պրոտոնները կուտակվում են թիլակտիկ մատրիցայի ինտերիերում։ Վերջինս ընդունում է միայն դրական լիցք, իսկ թիլակտոիդի արտաքին թաղանթը բացասական է։ Սրանից հետևում է, որ պրոտոնի տիպի գրադիենտի ուղին հակառակ է նրա ճանապարհին միտոքոնդրիայում:
Հաջորդ հատկանիշը կարելի է անվանել մեծ pH մակարդակ պրոտոնների պոտենցիալում:
Երրորդ հատկանիշը թիլակտոիդ շղթայում միայն երկու կոնյուգացիոն տեղամասերի առկայությունն է, և արդյունքում՝ ATP մոլեկուլի և պրոտոնների հարաբերակցությունը 1:3 է:
Եզրակացություն
Առաջին փուլում ֆոտոսինթեզը լույսի էներգիայի (արհեստական և ոչ արհեստական) փոխազդեցությունն է բույսի հետ։ Կանաչ նյութերը արձագանքում են ճառագայթներին՝ քլորոֆիլները, որոնց մեծ մասը գտնվում է տերևներում։
ATP-ի և NADPH-ի առաջացումը նման ռեակցիայի արդյունք է։ Այս ապրանքները անհրաժեշտ են մութ ռեակցիաների առաջացման համար: Ուստի լուսային փուլը պարտադիր գործընթաց է, առանց որի երկրորդ փուլը՝ մութ փուլը, չի կայանա։
Մութ փուլ. էություն և առանձնահատկություններ
Մութ ֆոտոսինթեզը և դրա ռեակցիաները ածխածնի երկօքսիդի օրգանական ծագման նյութերի վերածման գործընթացն է՝ ածխաջրերի արտադրությամբ: Նման ռեակցիաների իրականացումը տեղի է ունենում քլորոպլաստի ստրոմայում և ֆոտոսինթեզի առաջին փուլի արգասիքներում. լույսն ակտիվորեն մասնակցում է դրանցում։
Ֆոտոսինթեզի մութ փուլի մեխանիզմը հիմնված է ածխաթթու գազի յուրացման գործընթացի վրա (կոչվում է նաև ֆոտոքիմիական կարբոքսիլացում՝ Կալվինի ցիկլ), որը բնութագրվում է ցիկլայինությամբ։ Բաղկացած է երեք փուլից՝
- Կարբոքսիլացում - CO2.
- Վերականգնման փուլ.
- Ռիբուլոզա դիֆոսֆատի վերականգնման փուլ։
Ռիբուլոֆոսֆատը՝ հինգ ածխածնի ատոմներով շաքար, ֆոսֆորիլացվում է ATP-ով, ինչի արդյունքում առաջանում է ռիբուլոզա դիֆոսֆատ, որը հետագայում կարբոքսիլացվում է՝ միանալով CO2 արտադրանքի հետ վեց ածխածնի հետ, որն անմիջապես քայքայվում են ջրի մոլեկուլի հետ փոխազդելու ժամանակ՝ ստեղծելով ֆոսֆոգլիցերինաթթվի երկու մոլեկուլային մասնիկներ։ Այնուհետև այս թթուն անցնում է ֆերմենտային ռեակցիայի իրականացման ամբողջական կրճատման ընթացք, որի համար անհրաժեշտ է ATP-ի և NADP-ի առկայությունը երեք ածխածիններով շաքար ձևավորելու համար՝ երեք ածխածնային շաքար, տրիոզա կամ ալդեհիդ:ֆոսֆոգիցերին: Երբ երկու նման տրիոզներ խտանում են, ստացվում է հեքսոզայի մոլեկուլ, որը կարող է դառնալ օսլայի մոլեկուլի անբաժանելի մասը և ախտորոշվել պահուստում։
Այս փուլն ավարտվում է CO-ի մեկ մոլեկուլի կլանմամբ ֆոտոսինթեզի գործընթացում2 և երեք ATP մոլեկուլների և չորս H ատոմների օգտագործմամբ: Հեքզոզաֆոսֆատը իրեն հատկացնում է ռեակցիաներին: Պենտոզաֆոսֆատային ցիկլի արդյունքում ստացված ռիբուլոզաֆոսֆատը վերականգնվում է, որը կարող է վերամիավորվել կարբոնաթթվի մեկ այլ մոլեկուլի հետ:
Կարբոքսիլացման, վերականգնման, վերածնման ռեակցիաները չեն կարող հատուկ կոչվել բացառապես այն բջջի համար, որտեղ տեղի է ունենում ֆոտոսինթեզ։ Դուք նույնպես չեք կարող ասել, թե ինչ է գործընթացների «միատարր» ընթացքը, քանի որ տարբերությունը դեռ կա. վերականգնման գործընթացում օգտագործվում է NADPH, այլ ոչ OVERH::
CO2-ի ավելացումը ռիբուլոզա դիֆոսֆատով կատալիզացվում է ռիբուլոզա դիֆոսֆատ կարբոքսիլազով: Ռեակցիայի արտադրանքը 3-ֆոսֆոգիցերատ է, որը NADPH2-ով և ATP-ով վերածվում է գլիցերալդեհիդ-3-ֆոսֆատի: Կրճատման գործընթացը կատալիզացվում է գլիցերալդեհիդ-3-ֆոսֆատ դեհիդրոգենազով: Վերջինս հեշտությամբ վերածվում է դիհիդրոքսյացետոն ֆոսֆատի։ ձևավորվում է ֆրուկտոզա բիսֆոսֆատ: Նրա որոշ մոլեկուլներ մասնակցում են ռիբուլոզա դիֆոսֆատի վերականգնման գործընթացին՝ փակելով ցիկլը, իսկ երկրորդ մասն օգտագործվում է ֆոտոսինթեզի բջիջներում ածխաջրերի պաշարներ ստեղծելու համար, այսինքն՝ տեղի է ունենում ածխաջրերի ֆոտոսինթեզ։
Լույսի էներգիան անհրաժեշտ է օրգանական նյութերի ֆոսֆորիլացման և սինթեզի համարծագումը, իսկ օրգանական նյութերի օքսիդացման էներգիան անհրաժեշտ է օքսիդատիվ ֆոսֆորիլացման համար։ Այդ իսկ պատճառով բուսականությունը կյանք է ապահովում կենդանիների և այլ օրգանիզմների համար, որոնք հետերոտրոֆ են։
Ֆոտոսինթեզը բույսերի բջիջում տեղի է ունենում այս կերպ. Նրա արտադրանքը ածխաջրեր են, որոնք անհրաժեշտ են բուսական աշխարհի ներկայացուցիչների շատ նյութերի ածխածնային կմախքներ ստեղծելու համար, որոնք ունեն օրգանական ծագում։
Ազոտ-օրգանական տիպի նյութերը ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմներում յուրացվում են անօրգանական նիտրատների նվազման, իսկ ծծումբը՝ սուլֆատների ամինաթթուների սուլֆհիդրիլ խմբերի վերածվելու պատճառով։ Ապահովում է սպիտակուցների, նուկլեինաթթուների, լիպիդների, ածխաջրերի, կոֆակտորների, մասնավորապես՝ ֆոտոսինթեզի ձևավորում։ Բույսերի համար կենսական նշանակություն ունեցող նյութերի «տեսականին» արդեն ընդգծվել է, բայց ոչ մի խոսք չի ասվել երկրորդային սինթեզի արտադրանքի մասին, որոնք արժեքավոր բուժիչ նյութեր են (ֆլավոնոիդներ, ալկալոիդներ, տերպեններ, պոլիֆենոլներ, ստերոիդներ, օրգանական թթուներ և այլն:): Ուստի, առանց չափազանցության, կարելի է ասել, որ ֆոտոսինթեզը բույսերի, կենդանիների և մարդկանց կյանքի բանալին է։
