آلية البناء الضوئى
دور الضوء فى عملية البناء الضوئى:
1- أول من أوضح دور الضوء فى عملية البناء الضوئى العالم (فان نيل ) بدراستة لعملية البناء الضوئى فى بكتريا الكبريت الخضراء والأرجوانيه لاحظ ما يأتى :
أ- هذه البكتريا ذاتية التغذية لأنها تحتوى على كلوروفيل بكتيرى وهو أبسط تركيباً من الكلوروفيل العادى.
ب- تعيش هذه البكتريا فى طين البرك والمستنقعات حيث يتوافر كبريتيد الهيدروجين H2S وهو مصدر للهيدروجين اللازم لإختزال CO2 لبناء الكربوهيدرات .
2- أفترض العالم " فان نيل" أن الضوء يعمل على تحليل H2S إلى هيدروجين وكبريت ثم يستعمل الهيدروجين فى تفاعلات لا ضوئية لإختزال CO2 إلى كربوهيدرات مع تحرر الكبريت كما فى المعادلة الآتية:
طاقة ضوئية
6CO2 + 12H2S C6H12O6 + 6H2O + 12S
كلوروفيل بكتيري
3- فى النباتات الخضراء تكون التفاعلات الضوئية مشابهة لما يحدث فى بكتريا الكبريت إلا أنها تختلف عنها فيما يلى
(أ) الضوء يحلل الماء إلى ( هيدروجين وأكسجين)
(ب) يستعمل الهيدروجين لإختزال CO2 فى سلسلة من تفاعلات لا تحتاج إلى ضوء لإنتاج الكربوهيدرات.
(ج) يتحرر الأكسجين
4- لذلك افترض نيل : أن الأكسجين المتحرر يأتى من الماء ( كما هو حال الكبريت الذى يتحرر من H2S) وعلى ذلك يمكن كتابة المعادلة الكيميائية العامة لعملية البناء الضوئى فى النباتات الخضراء.
طاقة ضوئية
6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6H2O + 6O2
كلورفيل عادي
س – قارن بين ما يحدث فى بكتريا الكبريت الخضراء والنباتات الخضراء الراقية أثناء عملية البناء الضوئى.
تجارب لإثبات صحة نظرية فان نيل ( إثبات أن الماء مصدر الأكسجين المنطلق فى عملية البناء الضوئى ).
لإثبات صحة نظرية فان نيل أجريت التجارب الآتية على طحلب الكلوريلا الأخضر أثناء قيامه بعملية البناء الضوئى.
1- وفر العلماء جميع الظروف المناسبة لعملية البناء الضوئى ولكن الماء المستعمل كان به نظير الأكسجين 18O بدلا من 16O أما CO2 فكان الأكسجين به 16O(عادى)
طاقة ضوئية
6C16O2 + 12H2 18O C6H12 16O6 + 618O2+ 6H2 16O
كلورفيل
المشاهدة : وجدوا أن الأكسجين المتصاعد من عملية البناء الضوئى من نوع النظير 18O وليس 16O
الاستنتاج : ان مصدر الأكسجين هو الماء وليس CO2
2- أعاد العلماء التجربة بعد استعمال الماء العادى مع CO2 يحتوى على18O
طاقة ضوئية
6C18O2 + 12H2 16O C6H12 18O6 + 616O2+ 6H2 18O
كلورفيل
المشاهدة : تحرر اكسجين عادى أى 16O وهو المتوفر فى الماء العادى.
الاستنتاج : الأكسجين المتصاعد فى عملية البناء الضوئى مصدره الماء وليس ثانى أكسيد الكربون.
التفاعلات الضوئية واللاضوئية
- أوضح العالم بلاكمان : من خلال تجاربه لدراسة العوامل المحددة لمعدل عملية البناء الضوئى مثل عوامل الضوء والحرارة ، CO2) أن عملية البناء الوئى تنقسم إلى :
1- تفاعلات ضوئية : أى التفاعلات الحساسة للضوء والتى يكون فيها الضوء هو العامل المحدد لسرعة العملية.
2- تفاعلات لا ضوئية ( تفاعلات الظلام ) وهى تفاعلات تساهم فيها الإنزيمات وهذه التفاعلات حساسة لدرجة الحرارة ولا تتأثر بالضوء ويمكن أن تحدث فى الضوء أو فى الظلام على السواء وتكون فيها درجة الحرارة هى العامل المحدد لسرعتها.
أولاً : التفاعلات الضوئية
تحدث هذه التفاعلات على أسطح الجرانا – والعامل المحدد لسرعتها ( ضوء الشمس )
1- عندما يسقط الضوء على الكلوروفيل الموجود فى تركيب
الجرانا فى البلاستيدة الخضراء.
2- تكتسب بعض الكترونات ذرات جزئ الكلوروفيل الطاقة
وتتحرك من مستوياتها الأقل فى الطاقة إلى مستويات أعلى فى الطاقة.
3- وبذلك تختزن طاقة الضوء الحركية إلى طاقة وضع كيميائية
فى الكلوروفيل وتسمى عندئذ جزيئات الكلوروفيل المنشط أو المثار.
4- عندما تتحرر الطاقة المختزنة تهبط الإلكترونات مرة أخرى
إلى مستوى الطاقة الأصلى ويصبح الكلوروفيل غير منشط ويمكنه
امتصاص مزيدا من الضوء ليصبح منشطاً مرة أخرى .
5- يستخدم جزء من الطاقة المختزنة فى الكلوروفيل المنشط فى شطر
جزئ الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
6- يتحد الهيدروجين الناتج من انشطار جزئ الماء مع مساعد انزيم
يوجد فى البلاستيدة الخضراء ويرمز له NADP ويتكون منها
NADPH2 وبذلك لا يهرب الهيدروجين أو يتحد مرة ثانية مع الأكسجين.
7- ينطلق الأكسجين المتحرر من انشطار الماء كناتج ثانوى.
8- يختزن جزء آخر من طاقة الكلوروفيل المنشط فى جزئى (ATP) باتحاد جزئ (ADP) الموجود فى البلاستيدة الخضراء مع مجموعة فوسفات (P) بواسطة رابطة ذات طاقة عالية .
جزء من طاقة الكلوروفيل المنشط
ADP +P ATP
ملاحظات هامة :
• ATP: هو مركب أدينوسين ثلاثى الفوسفات ويتكون من مركبين عضويين ( الأدنين وسكر الرايبوز ) متصلين بثلاث مجموعات فوسفات بينهم رابطتين عاليتين الطاقة ومركب (ATP) هو عملة الطاقة فى الخلية .
• ADP : هو مركب أدينوسين ثنائى الفوسفات ويحتوى على مجموعتين فوسفات بينهما رابطة واحدة عالية الطاقة.
• NADP: هو ثنائى فوسفات أميد النيكوتين ثنائى النيوكليوتيد وهو مستقبل الهيدروجين .
ثانياً : التفاعلات اللاضوئية:
تعريفها : هى مجموعة التفاعلات التى تحدث فى أرضية البلاستيدة الخضراء ( الستروما ) خارج الجرانا
حيث يتم تثبيت غاز CO2 بإتحاده مع الهيدروجين المحمول على مركب NADPH2 وبمساعدة الطاقة المختزنة فى جزئ (A.T.P) وبذلك تتكون المواد الكربوهيدراتية.
تجربة ميلفين كالفن للكشف عن طبيعة التفاعلات اللاضوئية :
تمكن العالم ميلفين كالفن بعد اكتشاف نظير الكربون14C من الكشف عن طبيعة هذه تفاعلات بإجراء التجربة الآتية :
1- تم وضع طحلب الكلوريلا فى الجهاز المبين بالشكل .
2- تم امداد الطحلب بغاز CO2 يحتوى على كربون مشع (14C)
3- عرض الطحلب لضوء مصباح قوى لعدة ثوان ليسمح بحدوث
البناء الضوئى .
4- ثم وضع الطحلب فى كأس به كحول ساخن لقتل خلايا
الطحلب ووقف التفاعلات البيوكيميائية.
5- ثم فصل المركبات التى تكونت خلال عملية البناء الضوئى
وكشف فيها عن الكربون المشع بعداد جيجر.
** المشاهده : أوضحت النتائج أنه عندما استمرت عملية البناء الضوئى لمدة ثانيتين فقط تكون مركب ذو ثلاث درات هو فوسفوجليسر الدهيد (PGAL) وهو أول مركب ثابت كيميائيا ينتج من عملية البناء الضوئى .
** الأستنتاج :
1- أن الفوسفور جليسر الدهيد أول مركب كيميائى ثابت ناتج عن البناء الضوئى ويستخدم فى
أ- بناء الجلوكوز والنشا والبروتينات والدهون.
ب- التنفس الخلوى لأنه مركب عالي الطاقة.
2- إتضح ان تكوين السكر سداسى الكربون لم يتم فى خطوة واحدة بل من خلال عدة تفاعلات وسيطة حفزتها أنزيمات خاصة.
التفاعلات الضوئية
1- تحدث على سطوح أغشية الجرانا.
2- تكون حساسة للضوء.
3- يكون الضوء فيها هو العامل المحدد لسرعة العملية وتحدث فى الضوء.
التفاعلات اللاضوئية
1- تحدث فى الستروما.
2- تكون حساسة لدرجة الحرارة ، تساهم فيها الانزيمات.
3- تكون فيها درجة الحراة هى العامل المحدد لسرعة العملية . ولا تتأثر بالضوء
دور الضوء فى عملية البناء الضوئى:
1- أول من أوضح دور الضوء فى عملية البناء الضوئى العالم (فان نيل ) بدراستة لعملية البناء الضوئى فى بكتريا الكبريت الخضراء والأرجوانيه لاحظ ما يأتى :
أ- هذه البكتريا ذاتية التغذية لأنها تحتوى على كلوروفيل بكتيرى وهو أبسط تركيباً من الكلوروفيل العادى.
ب- تعيش هذه البكتريا فى طين البرك والمستنقعات حيث يتوافر كبريتيد الهيدروجين H2S وهو مصدر للهيدروجين اللازم لإختزال CO2 لبناء الكربوهيدرات .
2- أفترض العالم " فان نيل" أن الضوء يعمل على تحليل H2S إلى هيدروجين وكبريت ثم يستعمل الهيدروجين فى تفاعلات لا ضوئية لإختزال CO2 إلى كربوهيدرات مع تحرر الكبريت كما فى المعادلة الآتية:
طاقة ضوئية
6CO2 + 12H2S C6H12O6 + 6H2O + 12S
كلوروفيل بكتيري
3- فى النباتات الخضراء تكون التفاعلات الضوئية مشابهة لما يحدث فى بكتريا الكبريت إلا أنها تختلف عنها فيما يلى
(أ) الضوء يحلل الماء إلى ( هيدروجين وأكسجين)
(ب) يستعمل الهيدروجين لإختزال CO2 فى سلسلة من تفاعلات لا تحتاج إلى ضوء لإنتاج الكربوهيدرات.
(ج) يتحرر الأكسجين
4- لذلك افترض نيل : أن الأكسجين المتحرر يأتى من الماء ( كما هو حال الكبريت الذى يتحرر من H2S) وعلى ذلك يمكن كتابة المعادلة الكيميائية العامة لعملية البناء الضوئى فى النباتات الخضراء.
طاقة ضوئية
6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6H2O + 6O2
كلورفيل عادي
س – قارن بين ما يحدث فى بكتريا الكبريت الخضراء والنباتات الخضراء الراقية أثناء عملية البناء الضوئى.
تجارب لإثبات صحة نظرية فان نيل ( إثبات أن الماء مصدر الأكسجين المنطلق فى عملية البناء الضوئى ).
لإثبات صحة نظرية فان نيل أجريت التجارب الآتية على طحلب الكلوريلا الأخضر أثناء قيامه بعملية البناء الضوئى.
1- وفر العلماء جميع الظروف المناسبة لعملية البناء الضوئى ولكن الماء المستعمل كان به نظير الأكسجين 18O بدلا من 16O أما CO2 فكان الأكسجين به 16O(عادى)
طاقة ضوئية
6C16O2 + 12H2 18O C6H12 16O6 + 618O2+ 6H2 16O
كلورفيل
المشاهدة : وجدوا أن الأكسجين المتصاعد من عملية البناء الضوئى من نوع النظير 18O وليس 16O
الاستنتاج : ان مصدر الأكسجين هو الماء وليس CO2
2- أعاد العلماء التجربة بعد استعمال الماء العادى مع CO2 يحتوى على18O
طاقة ضوئية
6C18O2 + 12H2 16O C6H12 18O6 + 616O2+ 6H2 18O
كلورفيل
المشاهدة : تحرر اكسجين عادى أى 16O وهو المتوفر فى الماء العادى.
الاستنتاج : الأكسجين المتصاعد فى عملية البناء الضوئى مصدره الماء وليس ثانى أكسيد الكربون.
التفاعلات الضوئية واللاضوئية
- أوضح العالم بلاكمان : من خلال تجاربه لدراسة العوامل المحددة لمعدل عملية البناء الضوئى مثل عوامل الضوء والحرارة ، CO2) أن عملية البناء الوئى تنقسم إلى :
1- تفاعلات ضوئية : أى التفاعلات الحساسة للضوء والتى يكون فيها الضوء هو العامل المحدد لسرعة العملية.
2- تفاعلات لا ضوئية ( تفاعلات الظلام ) وهى تفاعلات تساهم فيها الإنزيمات وهذه التفاعلات حساسة لدرجة الحرارة ولا تتأثر بالضوء ويمكن أن تحدث فى الضوء أو فى الظلام على السواء وتكون فيها درجة الحرارة هى العامل المحدد لسرعتها.
أولاً : التفاعلات الضوئية
تحدث هذه التفاعلات على أسطح الجرانا – والعامل المحدد لسرعتها ( ضوء الشمس )
1- عندما يسقط الضوء على الكلوروفيل الموجود فى تركيب
الجرانا فى البلاستيدة الخضراء.
2- تكتسب بعض الكترونات ذرات جزئ الكلوروفيل الطاقة
وتتحرك من مستوياتها الأقل فى الطاقة إلى مستويات أعلى فى الطاقة.
3- وبذلك تختزن طاقة الضوء الحركية إلى طاقة وضع كيميائية
فى الكلوروفيل وتسمى عندئذ جزيئات الكلوروفيل المنشط أو المثار.
4- عندما تتحرر الطاقة المختزنة تهبط الإلكترونات مرة أخرى
إلى مستوى الطاقة الأصلى ويصبح الكلوروفيل غير منشط ويمكنه
امتصاص مزيدا من الضوء ليصبح منشطاً مرة أخرى .
5- يستخدم جزء من الطاقة المختزنة فى الكلوروفيل المنشط فى شطر
جزئ الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
6- يتحد الهيدروجين الناتج من انشطار جزئ الماء مع مساعد انزيم
يوجد فى البلاستيدة الخضراء ويرمز له NADP ويتكون منها
NADPH2 وبذلك لا يهرب الهيدروجين أو يتحد مرة ثانية مع الأكسجين.
7- ينطلق الأكسجين المتحرر من انشطار الماء كناتج ثانوى.
8- يختزن جزء آخر من طاقة الكلوروفيل المنشط فى جزئى (ATP) باتحاد جزئ (ADP) الموجود فى البلاستيدة الخضراء مع مجموعة فوسفات (P) بواسطة رابطة ذات طاقة عالية .
جزء من طاقة الكلوروفيل المنشط
ADP +P ATP
ملاحظات هامة :
• ATP: هو مركب أدينوسين ثلاثى الفوسفات ويتكون من مركبين عضويين ( الأدنين وسكر الرايبوز ) متصلين بثلاث مجموعات فوسفات بينهم رابطتين عاليتين الطاقة ومركب (ATP) هو عملة الطاقة فى الخلية .
• ADP : هو مركب أدينوسين ثنائى الفوسفات ويحتوى على مجموعتين فوسفات بينهما رابطة واحدة عالية الطاقة.
• NADP: هو ثنائى فوسفات أميد النيكوتين ثنائى النيوكليوتيد وهو مستقبل الهيدروجين .
ثانياً : التفاعلات اللاضوئية:
تعريفها : هى مجموعة التفاعلات التى تحدث فى أرضية البلاستيدة الخضراء ( الستروما ) خارج الجرانا
حيث يتم تثبيت غاز CO2 بإتحاده مع الهيدروجين المحمول على مركب NADPH2 وبمساعدة الطاقة المختزنة فى جزئ (A.T.P) وبذلك تتكون المواد الكربوهيدراتية.
تجربة ميلفين كالفن للكشف عن طبيعة التفاعلات اللاضوئية :
تمكن العالم ميلفين كالفن بعد اكتشاف نظير الكربون14C من الكشف عن طبيعة هذه تفاعلات بإجراء التجربة الآتية :
1- تم وضع طحلب الكلوريلا فى الجهاز المبين بالشكل .
2- تم امداد الطحلب بغاز CO2 يحتوى على كربون مشع (14C)
3- عرض الطحلب لضوء مصباح قوى لعدة ثوان ليسمح بحدوث
البناء الضوئى .
4- ثم وضع الطحلب فى كأس به كحول ساخن لقتل خلايا
الطحلب ووقف التفاعلات البيوكيميائية.
5- ثم فصل المركبات التى تكونت خلال عملية البناء الضوئى
وكشف فيها عن الكربون المشع بعداد جيجر.
** المشاهده : أوضحت النتائج أنه عندما استمرت عملية البناء الضوئى لمدة ثانيتين فقط تكون مركب ذو ثلاث درات هو فوسفوجليسر الدهيد (PGAL) وهو أول مركب ثابت كيميائيا ينتج من عملية البناء الضوئى .
** الأستنتاج :
1- أن الفوسفور جليسر الدهيد أول مركب كيميائى ثابت ناتج عن البناء الضوئى ويستخدم فى
أ- بناء الجلوكوز والنشا والبروتينات والدهون.
ب- التنفس الخلوى لأنه مركب عالي الطاقة.
2- إتضح ان تكوين السكر سداسى الكربون لم يتم فى خطوة واحدة بل من خلال عدة تفاعلات وسيطة حفزتها أنزيمات خاصة.
التفاعلات الضوئية
1- تحدث على سطوح أغشية الجرانا.
2- تكون حساسة للضوء.
3- يكون الضوء فيها هو العامل المحدد لسرعة العملية وتحدث فى الضوء.
التفاعلات اللاضوئية
1- تحدث فى الستروما.
2- تكون حساسة لدرجة الحرارة ، تساهم فيها الانزيمات.
3- تكون فيها درجة الحراة هى العامل المحدد لسرعة العملية . ولا تتأثر بالضوء
