פוטוסינתזה היא תהליך של המרת אנרגיית אור לאנרגיה כימית המתבצעת על ידי צמחים, אצות וציאנובקטריה.
תמונה ערוכה ושינוי גודל של סמואל אוסטין, זמינה ב- Unsplash
פירוש המילה פוטוסינתזה הוא סינתזה על ידי אור ומתייחס לאחד התהליכים הביולוגיים החשובים ביותר על פני כדור הארץ. על ידי שחרור חמצן וצריכת פחמן דו חמצני, הפוטוסינתזה הפכה את העולם לסביבה המוכרת שאנו מכירים כיום. בנוסף, התהליך הוא מקור האנרגיה העיקרי לכל היצורים החיים.
הפיזיקאי ההולנדי יאן אינגנהוש היה הראשון שגילה כי צמחים מייצרים חמצן בנוכחות אור שמש, בשנת 1779, ונחשב כמגלה פוטוסינתזה. בשנת 1782 הוסיף ז'אן סנבייר כי בנוסף לאור השמש, הפוטוסינתזה משתמשת בפחמן דו חמצני. בשנת 1818 טבעו מריה פלטייה וג'וזף קוונטו את המונח "כלורופיל" בכדי להתייחס לפיגמנט הירוק וניחן באנזימים פוטו-קולטנים המאפשרים פוטוסינתזה.
מהי פוטוסינתזה
ניתן להגדיר פוטוסינתזה כתהליך של המרת אנרגיית אור לאנרגיה כימית. זה מבוצע על ידי צמחים, אצות וציאנובקטריה, אשר מסווגים כאורגניזמים אוטוטרופיים ופוטוסינתטיים מכיוון שהם מסוגלים לייצר את המזון שלהם מאור.
חשיבות הפוטוסינתזה
החמצן המיוצר על ידי אורגניזמים פוטוסינתטיים חיוני לשמירה על החיים על פני כדור הארץ כפי שאנו מכירים אותו. בנוסף, המוצרים שנוצרו מפוטוסינתזה עיצבו את ההיסטוריה החומרית של האנושות, שכן הם הולידו משאבים כמו נפט, גז טבעי, תאית, פחם ועצי הסקה. משאבים אלה קיימים כתוצאה מהפיכת אור השמש למאגרי אנרגיה (פוטוסינתזה), ואחריו תהליכים גיאולוגיים וטכנולוגיים אחרים.
משוואת פוטוסינתזה
פוטוסינתזה היא תהליך ארוך ומורכב שניתן לסכם באופן כללי על ידי המשוואה הבאה:
- 6CO2 + 12H2O + אור → C6 H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
היכן שמתרחשת פוטוסינתזה
בצמחים ובאצות, פוטוסינתזה מתרחשת בתוך כלורופלסטים. ב- cyanobacteria, זה מבוצע ליד lamellae קרום הנוכחי בחלק הנוזלי של הציטופלזמה.
כלורופלסט הוא אברון בעל קרום חיצוני וקרום פנימי. בחלקו הפנימי יש ממללות ממברנות, המחוברות לכיסים קטנים הנקראים תילאואידים. את החלל הפנימי ממלאת הסטרומה, נוזל צמיג המכיל DNA, ריבוזומים ואנזימים המסייעים בתהליך הפוטוסינתזה. בתוך התילואקידים והמכסים הללו נמצא כלורופיל.
שלבי פוטוסינתזה
ניתן לחלק את הפוטוסינתזה לשני שלבים: השלב הפוטוכימי והשלב הכימי.
השלב הפוטוכימי מתרחש רק בנוכחות אור ומתרחש בתלואידים ובממשיות הממברנות. תפקידה העיקרי הוא להמיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית. הוא מורכב משני תהליכים עיקריים: פוטוליזת מים ופוטופוספורילציה.
השלב הכימי אינו תלוי באור ומתבצע בחלק אחר של הכלורופלסט, הסטרומה. בתוכו, המוצרים מהשלב הקודם, פוטוכימיה, מצטרפים ל- CO2 אטמוספרי לייצור גלוקוז, מים ועמילן, במה שמכונה מחזור קלווין-בנסון.
שלב פוטוכימי
פוטוליזת מים
פוטוליזת מים היא השלב הראשון בפוטוסינתזה והיא הרגע בו אנרגיית האור המתקבלת מקדמת את פירוק מולקולות המים, ויוצרת גז חמצן, אלקטרונים ו- H +. חמצן גזי משתחרר לאטמוספרה, בעוד מולקולות מימן חופשיות (H +) נמשכות לתרכובת הנקראת NADP +, מה שמוליד NADPH, שישמש בשלב הכימי לבניית מולקולות גלוקוז.
שלב זה מיוצג על ידי הנוסחאות:- H2O ⇾ 2H + + 2 אלקטרונים + ½ O2
- NADP + + H + ⇾ NADPH
פוטופוספורילציה
בפוטופוספורילציה נוצר היווצרות ATP, מתוספת של פוספט אנאורגני (Pi) למולקולה של ADP (אדנוזין דיפוספט), תוך שימוש באנרגיית אור. מולקולות ATP הן הצורה העיקרית של אנרגיה כימית המסונתזת על ידי יצורים חיים. שלב זה של פוטופוספורילציה מתרחש במקביל לפוטוליזה של מים וכל אחד מהם מייצר מוצרים שישמשו בשלב הבא של הפוטוסינתזה.
שלב זה מיוצג על ידי הנוסחה: ADP + Pi ⇾ ATP
שלב כימי
בשלב האחרון של הפוטוסינתזה, בשלב הכימי משתמשים בפחמן דו חמצני מהסביבה או מנשימה תאית של הצמח ומשמשות שתי תרכובות שנוצרו בשלב הקודם: ATP ו- NADPH. בשלב זה מתרחש מה שמכונה מחזור קלווין-בנסון, רצף של תגובות המייצר גלוקוז, מים ועמילן.
סיכום
פוטוסינתזה היא תוצאה של צירוף שני השלבים שתוארו לעיל, השלב הפוטוכימי והשלב הכימי. כל צורות החיים על פני כדור הארץ תלויות בדרך כלשהי במוצרים הנוצרים על ידי פוטוסינתזה: חמצן וגלוקוז. בנוסף, פוטוסינתזה חיונית לאיזון ההרכב האטמוספרי.
