عملية التمثيل الضوئي

• التمثيل الضوئي هو العملية التي تقوم بها النباتات والطحالب وبعض البكتيريا لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.
• يتم تخزين الطاقة الكيميائية المتولدة في شكل جزيئات عضوية مثل السكريات، والتي تستخدم فيما بعد لتغذية العمليات الخلوية.
• تحدث عملية التمثيل الضوئي في عضيات خلوية تسمى البلاستيدات الخضراء، والتي تحتوي على صبغة الكلوروفيل التي تمتص الضوء.
• المعادلة العامة لعملية التمثيل الضوئي هي: 6CO₂ + 6H₂O + طاقة ضوئية → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
• ثاني أكسيد الكربون والماء هما المواد المتفاعلة، والطاقة الضوئية ضرورية لتحريك التفاعل.
• ينتج عن التمثيل الضوئي الجلوكوز (السكر) والأكسجين.
• يمكن تقسيم عملية التمثيل الضوئي إلى مرحلتين رئيسيتين: التفاعلات المعتمدة على الضوء والتفاعلات المستقلة عن الضوء (دورة كالفن).

التفاعلات المعتمدة على الضوء

• تحدث في أغشية الثايلاكويد داخل البلاستيدات الخضراء.
• يتم امتصاص الطاقة الضوئية بواسطة الكلوروفيل وجزيئات الصبغة الأخرى.
• تستخدم الطاقة الضوئية لتحويل الماء إلى أكسجين وبروتونات (أيونات الهيدروجين) وإلكترونات عالية الطاقة.
• يتم إطلاق الأكسجين كناتج ثانوي.
• يتم استخدام الإلكترونات عالية الطاقة لإنتاج جزيئات حاملة للطاقة مثل ATP و NADPH.
• ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) هو جزيء يخزن الطاقة الكيميائية ويمكن استخدامه لتوفير الطاقة للعمليات الخلوية.
• NADPH (نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات) هو جزيء حامل للإلكترون يوفر الطاقة اللازمة لتفاعلات المرحلة الثانية من عملية التمثيل الضوئي.
• تتضمن التفاعلات المعتمدة على الضوء الأنظمة الضوئية، وهي عبارة عن مجمعات بروتينية معقدة تحتوي على الكلوروفيل وجزيئات صبغة أخرى.
• يوجد نوعان من الأنظمة الضوئية: النظام الضوئي الأول (PSI) والنظام الضوئي الثاني (PSII).
• يعمل PSII قبل PSI في سلسلة نقل الإلكترون.
• يمتص PSII الضوء ويستخدم الطاقة لفصل جزيئات الماء، وإطلاق الأكسجين والإلكترونات والبروتونات.
• تنتقل الإلكترونات عبر سلسلة نقل الإلكترون إلى PSI.
• يمتص PSI الضوء ويستخدم الطاقة لتنشيط الإلكترونات مرة أخرى ثم ينقلها إلى NADPH.
• يتم إنشاء تدرج البروتونات عبر غشاء الثايلاكويد أثناء نقل الإلكترون.
• يدفع تدرج البروتونات تركيب ATP من خلال عملية تسمى التناضح الكيميائي.
• يوفر ATP و NADPH الطاقة اللازمة للمرحلة التالية من عملية التمثيل الضوئي، وهي دورة كالفن.

دورة كالفن (التفاعلات المستقلة عن الضوء)

• تحدث في سدى البلاستيدات الخضراء، وهي المساحة المحيطة بأغشية الثايلاكويد.
• يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون من الهواء لتكوين جزيئات السكر.
• يمكن تقسيم دورة كالفن إلى ثلاث مراحل رئيسية: تثبيت الكربون والاختزال والتجديد.
• تثبيت الكربون: يتم دمج ثاني أكسيد الكربون مع جزيء مستقبل بخمسة كربون يسمى ريبولوز-1,5-ثنائي الفوسفات (RuBP).
• يتم تحفيز هذه الخطوة بواسطة إنزيم يسمى ريبولوز-1,5-ثنائي الفوسفات كربوكسيلاز/أوكسيجيناز (روبيسكو).
• ينتج عن التفاعل جزيء سداسي الكربون غير مستقر يتحلل على الفور إلى جزيئين من 3-فوسفوغليسيرات (3-PGA).
• الاختزال: يتم فسفرة 3-PGA بواسطة ATP ثم اختزاله بواسطة NADPH لإنتاج جليسرألدهيد-3-فوسفات (G3P).
• G3P هو سكر ثلاثي الكربون وهو الناتج النهائي لدورة كالفن.
• يتم استخدام بعض G3P لإنتاج الجلوكوز والسكريات العضوية الأخرى.
• التجديد: يتم استخدام بقية G3P لتجديد RuBP المطلوب لمواصلة دورة كالفن.
• تتطلب عملية التجديد ATP.
• بشكل عام، يتطلب تثبيت جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون ثلاث جزيئات من ATP واثنتين من NADPH.
• لإنتاج جزيء واحد من الجلوكوز، يجب أن تدور دورة كالفن ست مرات، وتستهلك 6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون و 18 جزيئًا من ATP و 12 جزيئًا من NADPH.

العوامل المؤثرة على التمثيل الضوئي

• شدة الضوء: تزداد معدلات التمثيل الضوئي مع زيادة شدة الضوء، حتى نقطة التشبع.
• تركيز ثاني أكسيد الكربون: تزداد معدلات التمثيل الضوئي مع زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون، حتى نقطة أخرى.
• درجة الحرارة: يعتبر التمثيل الضوئي مثاليًا ضمن نطاق درجة حرارة معين. يمكن أن تقلل درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة من معدل التمثيل الضوئي.
• توافر المياه: الماء ضروري لعملية التمثيل الضوئي، ويمكن أن يؤدي نقص المياه إلى إغلاق الثغور (المسام الموجودة على أوراق النبات) لتقليل فقد الماء، مما يحد من توافر ثاني أكسيد الكربون ويقلل من عملية التمثيل الضوئي.
• المغذيات: المغذيات الأساسية مثل النيتروجين والمغنيسيوم ضرورية لتخليق الكلوروفيل والإنزيمات الأخرى المشاركة في عملية التمثيل الضوئي.
• يمكن أن يؤثر نقص المغذيات على عملية التمثيل الضوئي.

أهمية التمثيل الضوئي

• التمثيل الضوئي هو العملية الأساسية التي تدعم الحياة على الأرض.
• يوفر المصدر الرئيسي للطاقة لجميع الكائنات الحية تقريبًا.
• ينتج الأكسجين، وهو ضروري للتنفس الهوائي بواسطة الحيوانات والنباتات.
• يزيل ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، مما يساعد على تنظيم المناخ العالمي.
• تنتج الكائنات الحية الضوئية الكتلة الحيوية التي تستخدم كغذاء ووقود ومواد أخرى.
• يلعب التمثيل الضوئي دورًا حيويًا في دورة الكربون، وتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات عضوية.
• يعد فهم عملية التمثيل الضوئي أمرًا بالغ الأهمية لتطوير استراتيجيات لتحسين إنتاجية المحاصيل وتخفيف تغير المناخ.

التمثيل الضوئي عملية تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية في النباتات والطحالب وبعض البكتيريا. يتم تخزين الطاقة الكيميائية المتولدة في شكل سكريات تستخدم كوقود للعمليات الخلوية. تحدث العملية في البلاستيدات الخضراء.