اسم الصورة: معادلة عملية البناء الضوئي

اسم الصورة: معادلة عملية البناء الضوئي

5-2

البناء الضوئي
Photosynthesis

الفكرة الرئيسة تتحول الطاقة الضوئية بعد امتصاصها إلى طاقة كيميائية في أثناء عملية البناء الضوئي.

الربط مع الحياة تتحول الطاقة من حولنا كل يوم؛ حيث تحول البطاريات الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، ويحول الراديو الطاقة الكهربائية إلى طاقة تحملها الموجات الضوئية. وبطريقة مشابهة تحول بعض المخلوقات الحية الذاتية التغذي الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية من خلال عملية البناء الضوئي.

الأهداف
تلخص مرحلتي عملية البناء الضوئي.
توضح وظيفة البلاستيدة الخضراء في أثناء التفاعلات الضوئية.
تصف عملية نقل الإلكترون وتفسرها.

مراجعة المفردات
الكربوهيدرات: مركبات عضوية تحوي الكربون، والهيدروجين والأكسجين فقط بنسب (1:2:1) تقريبًا.

المفردات الجديدة
الثايلاكويد
الغرانا
الحزمة الجامعة
الصبغة
ناقل الإلكترون +NADP
حلقة كالفن
إنزيم روبيسكو

Photosynthesis
عملية البناء الضوئي

معظم المخلوقات الذاتية التغذي، ومنها النباتات، قادرة على صنع المركبات العضوية مثل السكر بعملية البناء الضوئي. وتتحول الطاقة الضوئية في أثناء عملية البناء الضوئي إلى طاقة كيميائية. والمعادلة الكيميائية الآتية تمثل عملية البناء الضوئي:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
كلوروفيل

تحدث عملية البناء الضوئي في مرحلتين؛ في المرحلة الأولى تحدث التفاعلات التي تعتمد على الضوء (التفاعلات الضوئية)، حيث يتم امتصاص الطاقة الضوئية وتحويلها إلى طاقة كيميائية على شكل ATP و NADPH. أما في المرحلة الثانية فهي التفاعلات التي تحدث في الضوء ولكن لا تعتمد عليه (التفاعلات اللاضوئية)، وتسمى حلقة كالفن، بحيث يتم استخدام جزيئات ATP و NADPH التي تكونت في المرحلة الأولى لإنتاج الجلوكوز. وعندما ينتج الجلوكوز يتحد مع جزيئات سكريات بسيطة أخرى لتكون جزيئات أكبر، وهذه الجزيئات هي كربوهيدرات معقدة مثل النشا. وقد تستخدم الخلايا النباتية أثناء البناء الضوئي في بناء جزيئات عضوية أخرى مثل البروتينات والدهون والأحماض النووية.

اسم الصورة: حدوث عملية البناء الضوئي داخل البلاستيدات الخضراء

الشكل 5-5 تحدث عملية البناء الضوئي داخل عضيات صغيرة تسمى البلاستيدات الخضراء.

الورقة
طبقات النسيج
خلية نباتية
الجدار الخلوي
الفجوة
البلاستيدة الخضراء
الميتوكندريا
النواة
جهاز جولجي
الغشاء الخارجي
الغشاء الداخلي
ثايلاكويد
حجرة مكان حدوث المرحلة الأولى البناء الضوئي
مكان حدوث المرحلة الثانية البناء الضوئي

Phase one: Light Reactions
المرحلة الأولى: التفاعلات الضوئية

يعد امتصاص الضوء الخطوة الأولى في عملية البناء الضوئي، حيث تحتوي النباتات على عضيات خاصة تمتص الطاقة الضوئية، وبعد امتصاص الطاقة يتم إنتاج جزيئات تخزن الطاقة، هي NADPH و ATP، لاستخدامهما في التفاعلات التي لا تعتمد على الضوء (اللاضوئية).

البلاستيدات الخضراء Chloroplasts عضيات كبيرة تمتص الطاقة الضوئية في المخلوقات الحية التي تقوم بعملية البناء الضوئي. وتوجد البلاستيدات الخضراء في النباتات بشكل رئيس في خلايا الأوراق. والبلاستيدات كما في الشكل 5-5 عضيات تشبه القرص، وتحتوي على جزئين ضروريين لعملية البناء الضوئي؛ يسمى الجزء الأول ثايلاكويدات thylakoids، وهي مجموعة من الأغشية المسطحة تشبه الكيس، تترتب في رزم متراصة تسمى الغرانا grana. وتحدث التفاعلات الضوئية في الثايلاكويدات. أما الجزء الثاني المهم هو الحشوة (اللحمة) stroma، وهي سائل يملأ الفراغات المحيطة بالغرانا، وتعد مكان حدوث التفاعلات اللاضوئية في المرحلة الثانية من عملية البناء الضوئي، انظر الشكل 5-5.

ماذا قرأت؟ ميز بين الثايلاكويد والحشوة (اللحمة).

اسم الصورة: امتصاص موجات الضوء بواسطة أصباغ النبات الخضراء

الشكل 5-6 تختلف الأصباغ الملونة التي توجد في أوراق الأشجار في قدرتها على امتصاص أطوال موجية محددة من الضوء.
كون فرضية إذا لم ينمو النبات على كل ورق، وذبل فإن ذلك في امتصاص الضوء؟

امتصاص موجات الضوء بواسطة أصباغ النبات الخضراء
معدل الامتصاص
الطول الموجي للضوء nm
كلوروفيل a
كلوروفيل b
الكاروتينات

الأصباغ Pigments تسمى الجزيئات الملونة التي تمتص الضوء الأصباغ pigments، حيث تمتص الثايلاكويدات في البلاستيدات الخضراء، وتمتص الأصباغ المختلفة أطوالًا موجية محددة من الضوء، الشكل 5-6. والصبغة الأساسية في النباتات هي الكلوروفيل، وهناك أنواع من صبغة الكلوروفيل، ومن أهمها الكلوروفيل (a)، والكلوروفيل (b).

يختلف تركيب الكلوروفيل من جزيء إلى آخر، مما يسمح لجزيئات الكلوروفيل بامتصاص الضوء عند مناطق محددة من طيف امتصاص الضوء المرئي.

اسم الصورة: تحلل الكلوروفيل وظهور الأصباغ الأخرى

وعمومًا يزداد معدل امتصاص الضوء بوساطة الكلوروفيل في منطقة الطيف المحصورة بين الأزرق والبنفسجي من طيف الضوء المرئي، ويعكس الضوء في المنطقة الخضراء من الطيف. وهذا يفسر سبب رؤية الإنسان لأجزاء النبات التي تحتوي الكلوروفيل باللون الأخضر.

تحوي معظم المخلوقات الحية التي تقوم بعملية البناء الضوئي أصباغًا إضافية بالإضافة إلى الكلوروفيل، تسمح للنباتات بامتصاص طاقة ضوئية إضافية من مناطق أخرى من الطيف المرئي، ومن هذه الأصباغ مجموعة أصباغ الكاروتينات، ومنها صبغة كاروتين (بيتا كاروتين) التي تمتص الضوء في المناطق الزرقاء والخضراء من الطيف، في حين تعكس أشعة الضوء في المناطق الصفراء والبرتقالية والحمراء، الشكل 5-7. وتعد أصباغ الكاروتين المسؤولة عن ألوان كل من الجزر والبطاطا الحلوة. تعد صبغة الكلوروفيل في الأوراق أكثر شيوعًا ووفرة من الأصباغ الأخرى، لذلك فهي تطغى عليها، وتمنع ظهور ألوان الأصباغ الأخرى. ومع ذلك يمكن أن تظهر اللون الأصفر والأحمر والبرتقالي في الأوراق في فصل الخريف نتيجة تحلل جزيئات الكلوروفيل، مما يسمح بظهور ألوان الصبغات الأخرى.

الشكل 5-7 عندما يتحلل الكلوروفيل في أوراق بعض الأشجار، تصبح الأصباغ الأخرى أكثر وضوحًا.

المفردات
مفردات أكاديمية

النقل Transport
هو حمل شيء من مكان إلى آخر.
وتنقل جزيئات NADP+ الإلكترونات في أثناء عملية البناء الضوئي.

Electron Transport
نقل الإلكترون

يشكل تركيب غشاء الثايلاكويد الأساس في الانتقال الفعال للطاقة في أثناء نقل الإلكترون، حيث يتميز غشاء الثايلاكويد بمساحة سطح كبيرة، مما يوفر المساحة اللازمة للارتباط بأعداد كبيرة من الجزيئات الناقلة للإلكترون، وكذلك وجود نوعين من البروتينات المعقدة التي تسمى الأنظمة الضوئية.

اسم الصورة: تجربة 5-2 ملاحظة البلاستيدات الخضراء

تجربة 5-2
ملاحظة البلاستيدات الخضراء

كيف تبدو البلاستيدات الخضراء؟ تعتمد معظم الأنظمة البيئية والمخلوقات الحية في العالم على عضيات صغيرة جدًّا تسمى البلاستيدات الخضراء. اكتشف كيف تبدو البلاستيدات الخضراء في هذا الاستقصاء؟

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
• لاحظ شريحة خلايا نباتية وأخرى للطحالب الخضراء بالمجهر المركب.
• حدد البلاستيدات الخضراء في الخلايا التي تلاحظها.
• اعمل جدول بيانات لتسجيل ملاحظاتك، ثم ارسم البلاستيدات الخضراء داخل الخلايا.

التحليل

• قارن بين خصائص البلاستيدات الخضراء التي لاحظتها في الخلايا المختلفة.
• كون فرضية إذا تختلف ألوان النباتات الخضراء في الربيع؟

يحتوي النظامان الضوئيان (I و II) أصباغًا تمتص الضوء، وبروتينات تؤدي دورًا مهمًّا في التفاعلات الضوئية.

تتبع الشكل 5-8 في أثناء قراءتك عن نقل الإلكترون.

• أولاً تحفز الطاقة الضوئية الإلكترونات في النظام الضوئي II، كما تؤدي الطاقة الضوئية إلى تحلل جزيء الماء منتجة الإلكترون واحدًا إلى نظام نقل الإلكترون وأيون هيدروجين (H+) ومصدرًا إضافيًّا للبروتونات في الفراغ في الثايلاكويد - وكذلك الأكسجين (O2) بوصفه ناتجًا غير مستخدم.

• تنتقل الإلكترونات المحفزة من النظام الضوئي II إلى جزيء مستقبل للإلكترون يوجد في غشاء الثايلاكويد.

• ينقل الجزيء المستقبل للإلكترون الإلكترونات عبر سلسلة من نواقل الإلكترون إلى النظام الضوئي I.

• ينقل النظام الضوئي I مع وجود الضوء الإلكترونات إلى بروتين يسمى فيردوكسين، ويتم تعويض الإلكترونات المفقودة في النظام الضوئي I بإلكترونات من النظام الضوئي II.

• أخيرًا ينقل بروتين فيردوكسين الإلكترونات إلى ناقل الإلكترون +NADP، مكونًا الجزيء المختزن للطاقة NADPH.

اسم الصورة: سؤال حاسم عن ضرورة عملية البناء الضوئي

سؤال حاسم
ما الذي يوفره محمد لعملية البناء الضوئي؟
أوجه إلى الطلاب اتجاهات صحيحة عن الزراعة.

Chemiosmosis
الأسموزية الكيميائية

بالتزامن مع نقل الإلكترون يتم إنتاج جزيء ATP بعملية تسمى الأسموزية الكيميائية، وهي عملية يتم فيها إنتاج ATP نتيجة انتقال الإلكترونات مع تدرج التركيز. ولا تقتصر أهمية عملية تحلل جزيء الماء على توفير الإلكترونات اللازمة، وقد لعب سلسلة نقل الإلكترون فقط، بل توفر أيضًا البروتونات +H الضرورية لتنشيط عملية بناء جزيء ATP خلال عملية الأسموزية الكيميائية. وتتراكم أيونات +H التي تحررت خلال عملية نقل الإلكترون على الجانب الداخلي للثايلاكويد، وبسبب التركيز العالي من أيونات +H داخل الثايلاكويد، وإخراجه تركيزها في الحشوة تنتقل أيونات +H مع تدرج التركيز من داخل الثايلاكويد إلى الحشوة عبر قنوات أيونية في الغشاء، كما في الشكل 5-8، وهذه القنوات عبارة عن إنزيمات تسمى إنزيمات بناء الطاقة (ATP synthases). وكلما انتقلت أيونات +H عبر إنزيمات بناء الطاقة تكون جزيء ATP.

ماذا قرأت؟ لخص وظيفة الماء في أثناء الأسموزية الكيميائية في عملية البناء الضوئي.

اسم الصورة: نقل الإلكترون داخل غشاء الثايلاكويد

Electron Transport
نقل الإلكترون

الشكل 5-8 تنتقل الإلكترونات النشيطة من جزيء إلى آخر على طول غشاء الثايلاكويد في البلاستيدة الخضراء. وتستخدم الطاقة الناتجة عن الإلكترونات في تكوين أيونات الهيدروجين H+. وكلما انتقلت البروتينات مع تدرج التركيز نشأت مجموعة فوسفات إلى جزيء ADP، فيتكون جزيء ATP.

الأخدود (اللحمة)
النظام الضوئي II
ضوء
نواقل الإلكترون
النظام الضوئي I
NADPH
+NADP + H+
ATP
H+
ADP
إنزيم بناء ATP
غشاء الثايلاكويد
فراغ الثايلاكويد

A تستقبل الطاقة الضوئية التي يمتصها النظام الضوئي II عملية تحلل جزيء الماء، التي تنتج منها تحرر الأكسجين من الخلية، والبروتونات (H+) التي تقوم برفع الثايلاكويد، وتحرر الإلكترونات التي تدخل سلسلة نقل الإلكترون.

B عندما تنتقل الإلكترونات خلال غشاء الثايلاكويد، يتم ضخ البروتونات إلى الفراغ في الثايلاكويد.

C تتم إعادة تحفيز الإلكترونات في النظام الضوئي I، ويتكون جزيء NADPH.

D الأسموزية الكيميائية تتراكم البروتونات داخل الثايلاكويد، وتؤدي حركتها إلى الحشوة.

E عندما تنتقل البروتونات عبر غشاء الثايلاكويد من خلال إنزيم بناء ATP ينتج جزيء ATP من ADP.

الصفحة 132

Phase two: Calvin Cycle
المرحلة الثانية: حلقة كالفن

على الرغم من أن جزيئات ATP و NADPH تزود الخلايا بكميات كبيرة من الطاقة إلا أنها جزيئات غير مستقرة بصورة كافية حتى تخزن الطاقة الكيميائية لفترات زمنية طويلة. لذا هناك مرحلة ثانية من عملية البناء الضوئي تسمى حلقة كالفن calvin cycle، يتم فيها تخزين الطاقة في جزيئات عضوية مثل الجلوكوز. وتعد حلقة كالفن من التفاعلات التي لا تعتمد على الضوء. تتبع الشكل 5-9 في أثناء دراستك خطوات حلقة كالفن.

• في الخطوة الأولى من حلقة كالفن تتحد ستة جزيئات من CO2 الجوي مع ستة جزيئات من سكر الرايبولوز الثنائي الفوسفات (سكر خماسي الكربون) تسمى هذه العملية (تثبيت الكربون) لينتج 6 جزيئات من مركب سداسي الكربون.

• في الخطوة الثانية، تنتقل الطاقة الكيميائية المختزنة في جزيئات ATP و NADPH إلى جزيئات (3-PGA) لتكوين جزيئات ذات طاقة عالية تسمى جلسر ألدهيد 3- الفوسفات (G3P). فجزيئات ATP تحفز مجموعة الفوسفات على تكوين (G3P)، في حين يوفر جزيء NADPH أيونات الهيدروجين والإلكترونات.

• في الخطوة الثالثة، يخرج جزيئا (G3P) من الحلقة ليستخدما في إنتاج الجلوكوز ومركبات عضوية أخرى.

• في الخطوة النهائية من حلقة كالفن يحول إنزيم يسمى روبيسكو rubisco الجزيئات العشرة المتبقية من (G3P) إلى ستة جزيئات خماسية الكربون تسمى رايبولوز 5- أحادي الفوسفات. تتحول فيما بعد إلى ستة جزيئات من رايبولوز 1، 5- ثنائي الفوسفات (RuBP). تتحد هذه الجزيئات مجددًا مع جزيئات جديدة من ثاني أكسيد الكربون لإعادة الحلقة مرة أخرى. ويعد إنزيم روبيسكو واحدًا من أهم الإنزيمات الحيوية، لأنه يحول جزيئات CO2 غير العضوية إلى جزيئات عضوية تستخدمها الخلية. بالإضافة إلى استخدام السكر الناتج عن حلقة كالفن مصدرًا للطاقة فإن النبات يستخدمه بوصفه وحدات بناء أساسية في الكربوهيدرات المعقدة، ومنها السليلوز الذي يوفر الدعم للنبات.

مهن مرتبطة مع علم الأحياء

اختصاصي كيمياء النبات
Phytochemist

اختصاصي علم الأحياء الذي يدرس النواتج الكيميائية للنبات، ويقوم بالأبحاث العلمية لإيجاد علاجات جديدة للأمراض.

اسم الصورة: خطوات حلقة كالفن

الشكل 5-9 تربط حلقة كالفن ثاني أكسيد الكربون في الجزيئات العضوية داخل الحشوة في البلاستيدات الخضراء.
حدد المركب الذي يخزن الطاقة في نهاية حلقة كالفن.

خطوة 1
6 CO2
12 (3- حمض جليسرين أحادي الفوسفات)
12 ATP
12 ADP
خطوة 2
12 NADPH
12 NADP+
12 (جليسر ألدهيد 3- الفوسفات)
خطوة 3
2 G3P
ينتقل من البلاستيدة الخضراء لبناء الجلوكوز والفركتوز والنشا وغيرها.
روبيسكو
6 (رايبولوز 5- أحادي الفوسفات)
6 ATP
6 ADP
خطوة 4
6 (رايبولوز 1، 5- ثنائي الفوسفات)
حلقة كالفن

Alternative Pathways
مسارات بديلة

تؤثر البيئة التي يعيش فيها المخلوق الحي في قدرته على القيام بعملية البناء الضوئي. فالنبتة التي لا توجد فيها كميات كافية من الماء أو ثاني أكسيد الكربون تقلل من قدرة المخلوق الحي على القيام بعملية البناء الضوئي. وعلى تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. فضلاً تعرض النباتات التي تعيش في البيئات الجافة والحارة إلى فقدان كميات كبيرة من الماء، مما يقلل من عملية البناء الضوئي. وتحوي النباتات التي تعيش في مناخات قاسية مسارات بديلة في عملية البناء الضوئي، تمكنها من تحويل الحد الأقصى من الطاقة.

نباتات C4، C3، C plants: هي آلية مساعدة في نباتات، تكيفًا في أحد المسارات التي تساعدها على الحفاظ على عملية البناء الضوئي بأقل حد ممكن من فقدان الماء، يسمى مسار C4. ويحدث هذا المسار في نباتات منها قصب السكر والذرة. وتسمى هذه النباتات نباتات C4، لأنها تثبت ثاني أكسيد الكربون وتربطه مع مركبات رباعية الكربون بدلاً من مركبات ثلاثية الكربون في أثناء حلقة كالفن. كما أن لنباتات C4 تكيفات تركيبية مهمة في ترتيب الخلايا في الأوراق. وعموماً تعمل نباتات C4 على إغلاق ثغورها في الأيام الحارة، في حين تنتقل المركبات الرباعية الكربون إلى خلايا خاصة، حيث يدخل فيها ثاني أكسيد الكربون حلقة كالفن، مما يسمح باستهلاك كمية كافية من ثاني أكسيد الكربون، ويقلل كمية الماء المفقودة.

اسم الصورة: نبات الأناناس مثال على نباتات CAM

نباتات أيض الحمض العشبي CAM plants من مسارات التكيف الأخرى التي تستخدمها النباتات للقيام بعملية البناء الضوئي بأقصى فعالية مسار يسمى أيض الحمض العشبي CAM (Crassulacean Acid Metabolism).

يحدث هذا المسار في النباتات التي تحتفظ بالماء، وتعيش في الصحراء والمستنقعات المالحة وأي بيئة أخرى، حيث الوصول إلى الماء محدود جدًّا. ومنها الصبار والسحلب والأناناس. في الشكل 5-10. التي تسمح لثاني أكسيد الكربون بالدخول إلى الأوراق في الليل فقط؛ أي عندما يميل الجو إلى البرودة والرطوبة. وفي الليل تقوم النباتات بتثبيت ثاني أكسيد الكربون في مركبات عضوية. وفي أثناء النهار يتم تحرير ثاني أكسيد الكربون من هذه المركبات، ويدخل حلقة كالفن. كما يسمح هذا المسار باستهلاك كمية كافية من ثاني أكسيد الكربون وتقليل فقدان الماء.

الشكل 5-10 نبات الأناناس مثال على نباتات CAM.

اسم الصورة: التقويم 5-2

التقويم 5-2

الخلاصة

• تحتوي النباتات على بلاستيدات خضراء وأصباغ تمتص الضوء، وتحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.
• تمر عملية البناء الضوئي بمرحلتين: تضم تفاعلات ضوئية وحلقة كالفن.
• في التفاعلات الضوئية، تمتص المخلوقات الحية الذاتية التغذي الطاقة الضوئية، وتحولها إلى طاقة كيميائية في صورة ATP و NADPH.
• في حلقة كالفن، تستخدم الطاقة الكيميائية المختزنة في جزيئات ATP و NADPH لإنتاج الكربوهيدرات ومنها الجلوكوز.

فهم الأفكار الرئيسة

• الفكرة الرئيسة لخص كيف تتكون الطاقة الكيميائية من الطاقة الضوئية في أثناء عملية البناء الضوئي.
• اربط تركيب البلاستيدة الخضراء مع مراحل عملية البناء الضوئي.
• فسر أهمية الماء في التفاعلات الضوئية.
• لخص الخطوات في حلقة كالفن.
• ارسم آلية نقل الإلكترون وفسرها.

التفكير الناقد

• توقع كيف تؤثر العوامل البيئية مثل كثافة الأشعة الضوئية ومستويات CO2 في معدلات البناء الضوئي؟
• الكتابة في علم الأحياء ابحث في آثار الاحتباس الحراري في عملية البناء الضوئي، واكتب مقالة تلخص فيها ما توصلت إليه.