פוטוסינתזה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

פוטוסינתזהלטינית: Photosynthesis, מיוונית: φῶς (פוֹס, אור) + σύνθεσις (סינתזה, הרכבה, יצירת חומרים מורכבים מחומרים פשוטים יותר, ולפיכך: פוטו-סינתזה - "סינתוז באמצעות האור")], או בעברית: הטמעה, היא תהליך המשמש להפקת אנרגיה ותרכובות אורגניות מתרכובות אי-אורגניות בחלק מהיצורים החיים, בכללם צמחים, אצות, וקבוצות מסוימות של פרוטיסטים וחיידקים.

התהליכים[עריכת קוד מקור | עריכה]

האורגניזמים המבצעים פוטוסינתזה, הקרויים "פוטוסינתטיים" - כמעט כל הצמחים וקבוצות מסוימות של אצות, חיידקים ופרוטיסטים - מוגדרים כפוטואוטוטרופים (יצרנים שמקור האנרגיה שלהם הוא אור), זאת מכיוון שהם לא נזקקים לתרכובות אורגניות כלשהן ממקור חיצוני (מזון) כדי להפיק אנרגיה ובכדי לייצר את התרכובות האורגניות המרכיבות את תאיהם. את האנרגיה מפיקים האוטוטרופים באמצעות ניצול אנרגיית אור, שמקורה בדרך כלל בקרינת השמש; את התרכובות האורגניות מפיקים האוטוטרופים באמצעות ניצול הפחמן הדו-חמצני שנמצא באוויר ומים שנמצאים בסביבתם. האוטוטרופים מסוגלים לגרום לפחמן הדו-חמצני להתרכב עם מים ליצירת גלוקוז, פחמימה בסיסית המשמשת כחומר מוצא לתרכובות אורגניות רבות.

תגובת היל היא שם לתגובה כימית שבה כלורופלסטים שבודדו מצמחים, מחזרים תרכובות שונות כשחושפים אותם לאור והם מבצעים פוטוסינתזה. התגובה התגלתה על ידי רוברט היל בשנת 1937. בריאקציה על שמו תרכובות כמו מלחי ברזל תופסות את מקום ה-+NADP (מולקולת NADPH במצב מחומצן), והן קולטות את האלקטרונים והפרוטונים המשתחררים כתוצאה מפירוק המים. בזכותן ניתן להבין את הריאקציות הקודמות לחיזור הפחמן בפוטוסינתזה.

תהליך הפוטוסינתזה הוא הבסיס לקיומם של חלק גדול מהיצורים החיים על פני כדור הארץ, זאת מכיוון שהאוטוטרופים הם היצורים היחידים שמסוגלים לייצר תרכובות אורגניות (גלוקוז) מתרכובות אי-

העלה הוא האתר המרכזי של הפוטוסינתזה בצמח

אורגניות (פחמן דו-חמצני ומים), ופוטוסינתזה הוא התהליך העיקרי לשם כך. התרכובות האורגניות שמייצרים הצמחים מגיעים אל היצורים שאינם אוטוטרופים (הטרוטרופים) כשאלו אוכלים צמחים או אוכלים יצורים צמחוניים. יצורים המבצעים פוטוסינתזה הם, אם כן, מקור המזון עבור רוב היצורים החיים.

הנוסחה הכללית, נטו, של תהליך הפוטוסינתיזה היא: C6H12O6 + 6O2 אור + 6H2O + 6CO2

אם כי יש הכותבים את התגובה הכוללת באופן הבא: C6H12O6 + 6O2 + 6H2O אור + 12H2O + 6CO2 כדי להדגיש שהתהליך דורש 12 מולקולות מים כדי ליצר מולקולה אחת של גלוקוז, ובמהלכו נוצרות שנית 6 מולקולות מים. (ולכן, בחשבון נטו השימוש הוא בשש מולקולות מים בלבד). כפי שניתן לראות, מולקולות חמצן מיוצרות בפוטוסינתזה כתוצר לוואי. הצמחים ושאר היצורים הפוטוסינתטיים פולטים את החמצן אל הסביבה. לעובדה זו חשיבות אבולוציונית רבה: בזכות הופעת היצורים הפוטוסינתטיים על פני כדור הארץ לפני כשלושה מיליארד שנה החל בהדרגה שיעור החמצן באטמוספירה לעלות. במרוצת הדורות התפתחו יצורים המסוגלים לנצל את החמצן עצמו לשם הפקת אנרגיה; אלו הם היצורים הארוביים, הכוללים את היצורים המפותחים ביותר, ואת האדם.

התגובות התלויות באור[עריכת קוד מקור | עריכה]

הריאקציות הראשונות של הפוטוסינתזה מתבצעות על ממברנת התילקואיד. ריאקציות אלה צורכות אור שמש, ואינן מתבצעות בחושך. ריאקציות אלה מתרחשות בשתי צורות:

  • הפשוטה יותר היא המסלול המעגלי.
  • המורכבת והיעילה יותר היא המסלול הלא מעגלי.

מטרת המסלולים היא הפקת מולקולות ATP, צורת האנרגיה בה התא יכול להשתמש לצורכיו, וכן מולקולות NADPH, קואנזים המעביר יוני מימן לתגובות המאוחרות.

המסלול המעגלי[עריכת קוד מקור | עריכה]

המסלול המעגלי המשמש לייצור מולקולות ה-ATP מתחיל ב"מערכת אור I" (לכלורופיל בו שיא הקליטה הוא באורך גל של 700 ננומטר). מסלול הריאקציה ממשיך מהכלורופיל אל מולקולה קולטת כלשהי וממנה אל מערכת העברת האלקטרונים (הפולטת את האנרגיה הדרושה לייצור מולקולות ה-ATP). ממערכת העברת האלקטרונים מגיעים האלקטרונים חזרה אל מערכת האור.

המסלול הלא מעגלי[עריכת קוד מקור | עריכה]

מסלול זה מורכב יותר מהראשון. במסלול זה האלקטרונים ממערכת ההעברה אינם חוזרים למערכת האור אלא מנוצלים להפקת מולקולות ה-NADPH. אלקטרונים ממים מחליפים את מקומם. ראשית אור מגיע ל"מערכת אור II" (לכלורופיל בה שיא קליטה של 680 ננומטר). האנרגיה המגיעה אל המערכת מנוצלת לפירוק של המים לחמצן וליוני מימן בתהליך הנקרא פוטוליזה. שארית האנרגיה מועברת למערכת העברת האלקטרונים (האנרגיה הנפלטת מנוצלת לייצור מולקולות ה-ATP). ממערכת העברת האלקטרונים מועברים האלקטרונים ל"מערכת אור I" וממנה מנוצלים להפקת מולקולות ה-NADPH.

התגובות שאינן תלויות באור[עריכת קוד מקור | עריכה]

סדרת תגובות זו אינה זקוקה לאור שמש ישירות אלא לאנרגיה ממולקולות ה-ATP וליוני מימן ממולקולות ה-NADPH. כל עוד מולקולות אלה מסופקות, בנוסף לפחמן דו-חמצני הזמין מן האוויר, התגובות ימשכו. בסופן של תגובות אלה נוצר הגלוקוז שמשמש את התא להפקת אנרגיה בתהליך הנשימה התאית (האנרגיה שהופקה בתגובות הראשונות נועדה לספק אנרגיה לתגובות המאוחרות).

בתחילה נקלט פחמן דו-חמצני מן האוויר. הוא נקשר אל מולקולה בשם RUBP, על ידי האנזים רוביסקו (RuBp Carboxylase Oxygenase- RuBisCO). בריאקציה זו מתחילה תגובת שרשרת מעגלית שנקראת מעגל קלווין בנסון אשר בסיומה נוצר גלוקוז וכן מולקולת ה-RUBP שנקשרת לפחמן הדו-חמצני ותהליך זה חוזר חלילה.

מסלולים מטבוליים לקיבוע פחמן[עריכת קוד מקור | עריכה]

בצמחי יבשה קיימים שלושה מסלולים מטבוליים עיקריים של קיבוע פחמן: C4 ,C3 ו-CAM. רוב הצמחים מבצעים את קיבוע הפחמן במסלול C3, בו קיבוע הפחמן על ידי מתבצע בתאי המזופיל של העלה, תאים הממוקמים קרוב לפיוניות, שהם פתחים דרכם נכנס הפחמן הדו-חמצני לעלה. בצמחי C3 מתבצע גם תהליך מתחרה לפוטוסינתזה, תהליך הפוטורספירציה, בו מקובעת מולקולה של חמצן אטמוספירי במקום פחמן דו-חמצני, על ידי האנזים רוביסקו.

קיבוע פחמן במסלול C4 קיים רק בארבעה אחוזים מכלל מהצמחים, במסלול זה הפחמן הדו-חמצני נקלט בתאי המזופיל ומתחבר לחומצות אורגניות בעלות ארבעה אטומי פחמן היוצרות מולקולת אוקסלואצטט, אז מועברות מולקולות אלו לתאים פנימיים יותר בעלה, תאי נדן הצרור, בתאים אלו, המבודדים יחסית מהסביבה החיצונית, משוחרר הפחמן הדו-חמצני ואז מקובע מחדש במעגל קלווין. מסלול ה-C4 מאפשר ריכוז גבוה של פחמן דו-חמצני בסביבת האנזים רוביסקו וכך מגדיל את יעלות קיבוע הפחמן, תוצאה נוספת של מסלול ה-C4 היא הפחתה משמעותית בתהליך הפוטורספירציה, זאת בהשוואה לצמחים שמבצעים את מסלול ה-C3.

מסלול ה-CAM, הקיים בכשבעה אחוזים מכלל מהצמחים, מבוסס על קליטת פחמן בעלה מהלך הלילה, אז הטמפרטורות נמוכות ואידוי המים הוא מינימלי. בתוך העלה הפחמן הדו-חמצני מחובר לחומצות אורגניות, במהלך היום הוא משוחרר ונקלט מחדש ומחוזר במעגל קלווין, על ידי אנרגיה שמתקבלת מתהליך האור. מסלול ה-CAM, מאפשר לצמחים איבוד מינימלי של מים כתוצאה מתהליך הפוטוסינתזה וזאת משום שבמהלך היום הצמח לא צריך לפתוח את הפיוניות כדי לקלוט פחמן דו-חמצני. זאת כנראה סיבה עיקרית לכך שמסלול ה-CAM נפוץ יחסית בצמחי מדבר, למשל קקטוסים.

תוצרים עקיפים מתהליך הפוטוסינתזה[עריכת קוד מקור | עריכה]

התוצרים העקיפים של הפוטוסינתזה הם חומרים אורגניים הנוצרים מן הפחמימות שנוצרו בתהליך ישיר של הפוטוסינתזה. התוצרים העקיפים הראשיים הם: שומן, חלבון וחומצת גרעין.

השומנים: הינם מרכיב חשוב בקרומי התאים. הם מהווים את שכבת השעווה שמגנה על העלים - הקוטיקולה. הם מיוצרים על ידי הצמח מן הפחמימות. יתר על כן, השומנים הם חומר תשמורת חשוב לצמח.

חומצות אמינו: חומצות האמינו הן אבני הבניין של החלבונים. האנזימים החשובים המזרזים תהליכים כימיים הדרושים לצמח הינם חלבונים. חומצות האמינו נוצרות בין השאר מהפחמימות הנוצרות בפוטוסינתזה (ליצירתן דרוש בנוסף גם מקור חנקן).

חומצות גרעין: תפקידן הוא התרבות התאים והתפקוד שלה. חומצות אלו מכילות פחמימות. חומצות הגרעין בנויות ממעין שרשרת של חלקים הנקראים נוקלאוטידים. כל אחד מהנוקלאוטידים הוא בעל בסיס חנקני הקשור לסוכר חמש פחמני הקשור לזרחה. מקורו של הסוכר הוא בתהליך הפוטוסינתזה.

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]