פוטוסינתזה - איך? מה?

איך?

אור וכלורופיל

תכונות האור. אור הוא צורת אנרגיה ולכן הוא יכול לגרום לשינויים. מקורה של אנרגיית האור הוא בקרינת השמש. האנרגיה המשתחררת מהשמש מתפשטת בחלל בתנודות של גלים. מודדים אותם בעזרת המושג 'אורך גל' המרחק האופקי בין שני שיאים עוקבים של גלים.

תחום אורכי הגל של אנרגיית קרינה הוא רחב מאד: מקרני גמה שאורכן 10^-5 ננומטר, ועד לגלי רדיו שאורכם יותר מעשרה קילומטר. רצף אורכי הגל נקרא הספקטרום האלקטרומגנטי. היצורים הפוטואוטוטרופים קולטים רק את אורכי הגל שבין 400 ל-750 ננומטרים. זהו תחום האור הנראה, שאנו חשים אותו כצבעים שונים.

לאור יש תכונות של גל אבל כנראה גם תכונות של חלקיק – כל מנה של אנרגיית אור נקרא פוטון photon. פוטונים בעלי האנרגיה הרבה ביותר נעים בגלים בעלי אורך גל קצר בתחום האור הכחול-סגול. כלומר את סוגי הקרינה השונים מאפיינים אורך הגל וכמות האנרגיה.

 גלים קצרים יותר הם בעלי אנרגיה כה רבה שיכולים לפרק מולקולות אורגניות ולהרוס תאים. למשל קרינה UV המסוגלת לגרום לאטומים לשחרר אלקטרונים ולכן נקראת גם קרינה מייננת. 

לפני מאות מיליוני שנים, נוצרה באטמוספרה שכבת אוזון שהגנה על כדור הארץ מפני הקרינה העל סגולה. לפני כן לא יכלו החיידקים הפוטוסינתטיים ושאר היצורים לחיות אלא מתחת לפני הים או בקרקע בגלל הקרינה הקטלנית.



צבענים (פיגמנטים) הם מולקולות שבולעות אור. כל צבען בולע גלי אור באורכי גל ייחודיים לו. גלי אור שאינם נבלעים על ידי הצבען מוחזרים. הצבע של הצבען נובע מאורך הגל של הגלים שאינם נבלעים בו והם מוחזרים ומגיעים לעינינו. גוף הבולע את כל גלי האור הנראה ייראה שחור, וגוף המחזיר את כל גלי האור ייראה לבן.

כלורופיל הוא הצבען העיקרי של הפוטוסינתזה. הוא קיים בכל הצמחים זו מולקולה אורגנית הבנויה מפחמן,מימן וחמצן ובנוסף גם חנקן ומגנזיום. מצבעו הירוק ניתן להסיק שהוא מחזיר לעינינו את אורכי הגל הנראים ירוקים ובולע אורכי גל אחרים. בדקו את אורכי הגל שהכלורופיל בולע ופולט באנימציה, האם מנורה צהובה יכולה לשמש כמקור אור לפוטוסינתזה?

זה באמת מפתיע לגלות שבתופעת הצבעים שאנחנו רואים משתתפים העין והמוח. לענבר ששאלה ולאחרים שהתעניינו בתופעה כדאי לכם להכנס לקישור  המסביר על החלק של העין בתופעת הצבע באופן מאד בהיר וברור.  ועל תופעת הצבע ועוורון צבעים אפשר לבדוק כאן.

האנימציה הזו ממחישה יפה את ספקטרום האור הנראה והבלתי נראה.

דיברנו בשיעור על אנגלמן שבשנת 1882 לקח חיידקים בעלי כושר תנועה החיים במים וזקוקים לחמצן. הוא טען שהם יתקבצו באזורים עשירי חמצן ושבבתי גידול שיש בהם אצות, האזורים עשירי חמצן הם האזורים שהאצות מקיימות בהם פוטוסינתזה. הוא שם חוט של אצה בטיפת מים המכילה חיידקים כאלה, הניח את טיפת המים על זכוכית נושאת של מיקרוסקופ. באמצעות מנסרת בדולח, הטיל על הזכוכית הנושאת ספקטרום של צבעים. החיידקים התקבצו בעיקר ליד חלקי האצה שהוארו באור סגול ואדום אלו הם בדיוק אורכי הגל שכלורופיל בולע אור בהם. אורכי הגל האלו היו היעילים ביותר לפוטוסינתזה ולשחרור חמצן. ודוקא כן תנסו בעצמכם בבית. (תלחצו באנימציה על 'התחל ניסוי', 'start experiment'.

שאלות לחזרה:מה מקור הפחמן בסוכר שמיוצר ולאחר שנאגר גם בעמילן?

1. מה היה קורה אילו האירו את מערכת הניסוי של אנגלמן באור לבן שלא הועבר דרך מנסרה? – היה גדל בכל מקום שיש בו אור
2. מהו המשתנה התלוי בניסוי וכיצד הוא נבדק – כמות החמצן שהאצה יוצרת – נבדק על ידי התקבצות החיידקים שהם בעלי יכולת תנועה והם זקוקים לחמצןם.
3. הציעו דרך נוספת לבדיקה של רמת הפעילות של הפוטוס' באורכי גל שונים, פרטו?

איך? מה?

5 פחמנים בסטרומה והופכת בסדרת תהליכים לחלק ממולקולת פחמימה.

מבנה כלורופלסט, גראנה תילקואידים, התהליך הביוכימי.

הפוטוסינתזה מתרחשת בכלורופלסט, אברון הנמצא בתוך התא הצמחי

שני שלבי התהליך מתרחשים באתרים נפרדים בכלורופלסט.

מבנה הכלורופלסט: לכלורופלסט קרום פנימי וחיצוני, ותוכן נוזלי, הנקרא סטרומה. הממברנות הפנימיות מקופלות לשקיקים מאורכים ושטוחים הקרויים תילקואידים. הם מסודרים במבנים דמויי ערמות של שקים הקרויים גרנה.  

שלב 1: קליטת אנרגית האור והמרתה לאנרגיה כימית, מתרחש בקרומי התילקואידים ותלוי באור. נוצרים ATP ו- NADPH

שלב 2: קיבוע פחמן דו-חמצני ובניית הסוכר, מתרחש בסטרומה ואינו תלוי באור

שלב 1: שלב קליטת האור (בקרום התילקואיד):

1.      שינוי במולקולת הכלורופיל כתוצאה מבליעת אנרגיית אור

2.      בעקבות זאת מתפרקת מולקולת מים למימן וחמצן ומשתחרר חמצן לחללים הבין תאיים ומהם לאוויר.

3.      קשירת מימן המשתחרר ממולקולת המים לחומר המשמש כנשא מימנים (=חיזור נשא המימנים). שמו של נשא המימנים הוא)    ניקוטינאמיד-דינוקלאוטיד פוספט) NADP שהופך ל- NADPH

4.      בניית מולקולות של ATP מ- ADP וזרחה (Pi)

שלב 2: שלב קיבוע הפחמן הדו חמצני (בסטרומה):

• מולקולת הפחמן הדו-חמצני נקלטת מהאוויר דרך הפיונית וחודרת לתאי הצמח, נקשרת למולקולה בת 

a.      בתהליך זה משתתפים שניים מתוצרי שלב קליטת האור: נשא המימנים NADPH וה- ATP, אשר מספקים את המימנים והאנרגיה הנחוצים לבניית הפחמימה מהפחמן הדו-חמצני.

·         רצף התהליכים בשלב קיבוע הפחמן הדו-חמצני הוא מעגלי ונקרא על שם מגלהו 'מעגל קלווין'

בשלב קליטת האור נבנות מולק' ה- ATP 
בשלב קיבוע הפחמן הדו חמצני, מתפרקות מולק' ה- ATP והאנרגיה מנוצלת לבניית פחמימות.

תבדקו פה. על מעגל קלווין.

הגורמים המשפיעים על קצב הפוטוסינתזה:

מים, פחמן דו חמצני, מבנה העלה, אור, כלורופיל, טמפרטורה, מינרלים בקרקע (מגנזיום, חנקן, זרחן) – מיינו את הגורמים לשתי קבוצות: גורמים סביבה וגורמים פנימיים בצמח.

שאלות?
אל תהססו! תשאלו