ระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง: กลไกและผลิตภัณฑ์ - ชีววิทยา - 2026

ขั้นตอนของการสังเคราะห์แสงเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการสังเคราะห์แสงที่ต้องมีการปรากฏตัวของแสง ดังนั้นแสงจึงทำให้เกิดปฏิกิริยาที่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงส่วนหนึ่งของพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี

ปฏิกิริยาทางชีวเคมีเกิดขึ้นใน thylakoids ของคลอโรพลาสต์ซึ่งพบรงควัตถุสังเคราะห์แสงที่ถูกกระตุ้นด้วยแสง คลอโรฟิลล์เอคลอโรฟิลล์บีและแคโรทีนอยด์

เฟสแสงและเฟสมืด Maulucioni จาก Wikimedia Commons

จำเป็นต้องมีองค์ประกอบหลายอย่างเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาขึ้นกับแสง จำเป็นต้องมีแหล่งกำเนิดแสงภายในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ในทำนองเดียวกันจำเป็นต้องมีน้ำ

ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของเฟสแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการสร้าง ATP (adenosine triphosphate) และ NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) โมเลกุลเหล่านี้ใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับการตรึง CO ₂ในระยะมืด ในทำนองเดียวกันในช่วงนี้ O ₂จะถูกปล่อยออกมาซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวของโมเลกุล H ₂ O

ความต้องการ

เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาขึ้นกับแสงในการสังเคราะห์แสงจำเป็นต้องมีความเข้าใจเกี่ยวกับคุณสมบัติของแสง ในทำนองเดียวกันจำเป็นต้องทราบโครงสร้างของเม็ดสีที่เกี่ยวข้อง

แสง

แสงมีคุณสมบัติทั้งคลื่นและอนุภาค พลังงานมาถึงโลกจากดวงอาทิตย์ในรูปแบบของคลื่นที่มีความยาวต่างกันเรียกว่าสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

ประมาณ 40% ของแสงที่มาถึงดาวเคราะห์เป็นแสงที่มองเห็นได้ พบได้ในช่วงความยาวคลื่นระหว่าง 380-760 นาโนเมตร ประกอบด้วยสีทั้งหมดของรุ้งแต่ละสีมีความยาวคลื่นลักษณะเฉพาะ

ความยาวคลื่นที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงคือตั้งแต่สีม่วงไปจนถึงสีน้ำเงิน (380-470 นาโนเมตร) และจากสีแดงส้มถึงแดง (650-780 นาโนเมตร)

แสงยังมีคุณสมบัติของอนุภาค อนุภาคเหล่านี้เรียกว่าโฟตอนและเกี่ยวข้องกับความยาวคลื่นเฉพาะ พลังงานของโฟตอนแต่ละตัวแปรผกผันกับความยาวคลื่น ยิ่งความยาวคลื่นสั้นพลังงานก็จะยิ่งสูงขึ้น

เมื่อโมเลกุลดูดซับโฟตอนของพลังงานแสงอิเล็กตรอนตัวหนึ่งจะได้รับพลังงาน อิเล็กตรอนสามารถออกจากอะตอมและได้รับโดยโมเลกุลตัวรับ กระบวนการนี้เกิดขึ้นในช่วงแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง

รงควัตถุ

ในเยื่อไธลาคอยด์ (โครงสร้างของคลอโรพลาสต์) มีเม็ดสีต่าง ๆ ที่สามารถดูดซับแสงที่มองเห็นได้ เม็ดสีต่างกันดูดซับความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน รงควัตถุเหล่านี้ ได้แก่ คลอโรฟิลล์แคโรทีนอยด์และไฟโคบิลิน

แคโรทีนอยด์ให้สีเหลืองและสีส้มในพืช ไฟโคบิลินพบในไซยาโนแบคทีเรียและสาหร่ายแดง

คลอโรฟิลล์ถือเป็นเม็ดสีสังเคราะห์แสงหลัก โมเลกุลนี้มีหางยาวของไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ชอบน้ำซึ่งทำให้มันยึดติดกับเมมเบรนไทลาคอยด์ นอกจากนี้ยังมีวงแหวนพอร์ไฟรินที่ประกอบด้วยอะตอมของแมกนีเซียม พลังงานแสงถูกดูดซับในวงแหวนนี้

คลอโรฟิลล์มีหลายประเภท คลอโรฟิลล์เอเป็นเม็ดสีที่แทรกแซงปฏิกิริยาแสงโดยตรงมากที่สุด คลอโรฟิลล์ b ดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นต่างกันและถ่ายโอนพลังงานนี้ไปยังคลอโรฟิลล์ก.

ในคลอโรพลาสต์พบคลอโรฟิลล์เอมากกว่าคลอโรฟิลล์บีประมาณสามเท่า

กลไก

-Photosystems

โมเลกุลของคลอโรฟิลล์และเม็ดสีอื่น ๆ จะถูกจัดระเบียบภายในไทลาคอยด์เป็นหน่วยสังเคราะห์แสง

หน่วยสังเคราะห์แสงแต่ละหน่วยประกอบด้วยคลอโรฟิลล์ 200-300 โมเลกุลต่อคลอโรฟิลล์บีแคโรทีนอยด์และโปรตีนจำนวนเล็กน้อย มีบริเวณที่เรียกว่าศูนย์ปฏิกิริยาซึ่งเป็นไซต์ที่ใช้พลังงานแสง

ภาพ: ช่วงแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง ผู้แต่ง: Somepics https://es.m.wikipedia.org/wiki/File:Thylakoid_membrane_3.svg

เม็ดสีอื่น ๆ ที่มีอยู่เรียกว่าคอมเพล็กซ์เสาอากาศ พวกมันมีหน้าที่จับและส่งผ่านแสงไปยังศูนย์กลางปฏิกิริยา

หน่วยสังเคราะห์แสงมีสองประเภทเรียกว่าระบบภาพถ่าย พวกเขาแตกต่างกันที่ศูนย์ปฏิกิริยาของพวกเขาเกี่ยวข้องกับโปรตีนที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสเปกตรัมการดูดกลืนของพวกเขา

ในระบบภาพถ่าย I คลอโรฟิลล์ที่เกี่ยวข้องกับศูนย์ปฏิกิริยามีการดูดซึมสูงสุดที่ 700 นาโนเมตร (P ₇₀₀ ) ใน photosystem II ค่าสูงสุดของการดูดซับเกิดขึ้นที่ 680 นาโนเมตร (P ₆₈₀ )

-Photolysis

ระหว่างกระบวนการนี้จะเกิดการแตกตัวของโมเลกุลของน้ำ Photosystem II มีส่วนร่วม โฟตอนของแสงกระทบกับโมเลกุล P ₆₈₀และขับเคลื่อนอิเล็กตรอนไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้น

อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจะได้รับจากโมเลกุลของฟีโอไฟตินซึ่งเป็นตัวรับระดับกลาง ต่อจากนั้นพวกมันข้ามเยื่อไธลาคอยด์ซึ่งเป็นที่ยอมรับของโมเลกุลพลาสโตควิโนน ในที่สุดอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยัง P ₇₀₀ของระบบภาพถ่าย I

อิเล็กตรอนที่ได้รับจาก P ₆₈₀จะถูกแทนที่โดยอิเล็กตรอนอื่น ๆ จากน้ำ โปรตีนที่มีแมงกานีส (โปรตีน Z) เป็นสิ่งจำเป็นในการสลายโมเลกุลของน้ำ

เมื่อ H ₂ O เสียโปรตอนสองตัว (H ⁺ ) และออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมา สองโมเลกุลของน้ำที่จะต้องถูกตัดหนึ่งโมเลกุลของ O ₂ ได้รับการปล่อยตัว

-Photophosphorylation

โฟโตฟอสฟอรัสมีสองประเภทขึ้นอยู่กับทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน

โฟโตฟอสฟอรัสแบบไม่เป็นวงจร

ทั้งระบบภาพถ่าย I และ II มีส่วนเกี่ยวข้อง เรียกว่าไม่เป็นวัฏจักรเนื่องจากการไหลของอิเล็กตรอนไปในทิศทางเดียวเท่านั้น

เมื่อเกิดการกระตุ้นของโมเลกุลของคลอโรฟิลล์อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

มันเริ่มต้นใน photosystem ฉันเมื่อโฟตอนของแสงจะถูกดูดซึมโดย P ₇₀₀โมเลกุล อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวรับหลัก (Fe-S) ที่มีเหล็กและซัลไฟด์

จากนั้นไปยังโมเลกุลของเฟอร์เรดอกซิน ต่อจากนั้นอิเล็กตรอนจะไปยังโมเลกุลขนส่ง (FAD) สิ่งนี้ให้กับโมเลกุลของ NADP ⁺ที่ลดเป็น NADPH

อิเล็กตรอนโอนโดย photosystem II ใน photolysis จะเข้ามาแทนที่ผู้ที่โอนโดย P 700 สิ่งนี้เกิดขึ้นผ่านห่วงโซ่การขนส่งที่ประกอบด้วยเม็ดสีที่มีธาตุเหล็ก (ไซโตโครเมส) นอกจากนี้ยังมีพลาสโตไซยานิน (โปรตีนที่มีทองแดง)

ในระหว่างกระบวนการนี้ทั้งโมเลกุล NADPH และ ATP จะถูกผลิตขึ้น สำหรับการสร้าง ATP เอนไซม์ ATPsyntetase จะเข้าไปแทรกแซง

โฟโตฟอสฟอรัสแบบวัฏจักร

มันเกิดขึ้นเฉพาะใน photosystem I. เมื่อโมเลกุลของ P ที่₇₀₀ศูนย์ปฏิกิริยารู้สึกตื่นเต้นอิเล็กตรอนจะได้รับโดย P ₄₃₀โมเลกุล

ต่อจากนั้นอิเล็กตรอนจะรวมอยู่ในห่วงโซ่การขนส่งระหว่างระบบภาพถ่ายทั้งสอง ในกระบวนการผลิตโมเลกุล ATP ซึ่งแตกต่างจากปฏิกิริยาโฟโตฟอสโฟรี เลชัน ที่ไม่ใช่วงจร NADPH ไม่ได้ผลิตและ O ₂ไม่ได้รับการปล่อยตัว

เมื่อสิ้นสุดกระบวนการขนส่งอิเล็กตรอนพวกมันจะกลับไปที่ศูนย์กลางปฏิกิริยาของระบบภาพถ่าย I ด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่าโฟโตฟอสฟอรัสแบบวงจร

ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ในตอนท้ายของเฟสแสง O ₂จะถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมเป็นผลพลอยได้จากโฟโตไลซิส ออกซิเจนนี้ออกไปสู่บรรยากาศและใช้ในการหายใจของสิ่งมีชีวิตที่ใช้ออกซิเจน

อีกผลิตภัณฑ์สุดท้ายของเฟสแสงคือ NADPH ซึ่งเป็นโคเอนไซม์ (ส่วนหนึ่งของเอนไซม์ที่ไม่ใช่โปรตีน) ที่จะเข้าร่วมในการตรึง CO ₂ในระหว่างวัฏจักรคาลวิน (ช่วงมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง)

ATP เป็นนิวคลีโอไทด์ที่ใช้เพื่อให้ได้พลังงานที่จำเป็นในกระบวนการเผาผลาญของสิ่งมีชีวิต สิ่งนี้ถูกบริโภคในการสังเคราะห์กลูโคส

อ้างอิง

1. Petroutsos D.R Tokutsu, S Maruyama, S Flori, A Greiner, L Magneschi, L Cusant, T Kottke M Mittag, P Hegemann, G Finazzi และ J Minagaza (2016) ตัวรับแสงสีฟ้าเป็นสื่อกลางในการควบคุมการตอบสนองของการสังเคราะห์ด้วยแสง ธรรมชาติ 537: 563-566
2. Salisbury F และ C Ross (1994) สรีรวิทยาของพืช. Grupo Editorial Iberoamérica เม็กซิโก DF. 759 น.
3. Solomon E, L Berg และ D Martín (1999) ชีววิทยา. พิมพ์ครั้งที่ห้า. MGraw-Hill Interamericana Editores เม็กซิโก DF. 1237 น.
4. Stearn K (1997) ชีววิทยาพืชเบื้องต้น. สำนักพิมพ์ WC Brown การใช้ประโยชน์ 570 น.
5. Yamori W, T Shikanai และ A Makino (2015) Photosystem I การไหลของอิเล็กตรอนแบบวนรอบผ่านสารประกอบเชิงซ้อนที่คล้ายคลอโรพลาสต์ NADH dehydrogenase มีบทบาททางสรีรวิทยาสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงในที่แสงน้อย รายงานทางวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ 5: 1-12.