تبدیل انرژی در کلروپلاست ها چگونه انرژی نور خورشید تبدیل می شود فصل سوم

این یک واقعیت کاملاً شناخته شده است که خورشید یک جرم آسمانی (ستاره) است و انرژی خورشیدی اساساً نتیجه فعالیت حیاتی آن است. فرآیندهایی که روی آن اتفاق می افتد مقدار زیادی انرژی آزاد می کند و آن را با سرعت باورنکردنی به سمت سیاره ما پرتاب می کند. بهره برداری از انرژی خورشیدیبرای مردم هم آگاهانه و هم ناخودآگاه اتفاق می افتد. با حمام کردن در پرتوهای خورشید، ما به این واقعیت فکر نمی کنیم که انرژی این ستاره تعدادی از فرآیندهای مهم را در بدن ما آغاز می کند (به عنوان مثال، ویتامین D در پوست ما تولید می شود). به لطف آن فتوسنتز در گیاهان رخ می دهد. چرخه آب در طبیعت نیز «کار او» است. ما آن را بدیهی می دانیم. اما این تنها بخشی از نقش انرژی خورشیدی در زندگی ماست.

استفاده عملی از انرژی خورشیدی

ساده ترین و آشناترین برای همه انواع استفاده از انرژی خورشیدی- استفاده از آن در ماشین حساب های مدرن (روی پنل های خورشیدی بسیار فشرده) و برای نیازهای خانگی (میوه خشک، گرم کردن آب در مخزن دوش در فضای باز در کشور). حرکت هوای گرم شده توسط گرمای خورشید عملکرد سیستم تهویه و دودکش ها را تضمین می کند. پرتوهای خورشید به عنوان یک تبخیر کننده برای نمک زدایی آب دریا استفاده می شود. خورشید یکی از منابع اصلی انرژی برای عملکرد طولانی مدت ماهواره ها و همچنین دستگاه هایی است که برای مطالعه فضای بیرونی استفاده می شود. خودروهایی که با انرژی الکتریکی کار می کنند به طور فزاینده ای وارد زندگی ما می شوند.

دریافت و تبدیل انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی به شکل سه نوع امواج تابشی به سیاره ما برخورد می کند: ماوراء بنفش، نور و مادون قرمز.

استفاده از انرژی خورشیدیهدف اصلی آن تولید گرما یا برق است. این امواج مادون قرمز هستند که بر روی سطح خاصی که توسط دانشمندان ایجاد شده است می افتند و به آنچه ما نیاز داریم تبدیل می شوند.

بنابراین، برای استخراج گرما، از یک کلکتور که امواج مادون قرمز را جذب می کند، یک وسیله ذخیره سازی که آن را انباشته می کند و یک مبدل حرارتی که در آن گرما رخ می دهد استفاده می شود.

هنگام تولید انرژی الکتریکی از فتوسل های مخصوص استفاده می شود. آنها پرتوهای نور را جذب می کنند و تأسیسات مربوطه این پرتوها را به الکتریسیته تبدیل می کنند.

راه های استفاده از انرژی خورشیدیمی توان بسته به نوع نیروگاه برای پردازش آن تقسیم کرد. در مجموع شش عدد از آنها وجود دارد.

سه اول:برج (طراحی به شکل یک برج سیاه با آب در داخل و آینه ها در اطراف)، سهمی (شبیه ظروف ماهواره ای با آینه در داخل)، بشقاب (شبیه یک درخت فلزی با برگ های ساخته شده از آینه). آنها را می توان ترکیب کرد، زیرا آنها همان اصل کار را دارند: مقدار مشخصی نور را جذب می کنند، آن را به یک مخزن مایع هدایت می کنند، که گرم می شود و بخار آزاد می کند، که به نوبه خود برای تولید برق استفاده می شود.

چهارم- تجهیزات با فتوسل معروف ترین نوع، زیرا ابعاد آن بسته به نیاز می تواند متفاوت باشد. پنل های خورشیدی کوچک برای نیازهای خانوارهای خصوصی و پنل های بزرگتر برای نیازهای صنعتی استفاده می شود. اصل کار تولید الکتریسیته از پرتوهای خورشید جذب شده توسط فتوسل به دلیل اختلاف پتانسیل درون آن است.

پنجم- خلاء از نظر ساختاری، زمینی است که با سقف شیشه ای گرد پوشیده شده است که در داخل آن برجی با توربین هایی در پایه قرار دارد. اصل کار به این صورت است که زمین زیر این سقف را گرم می کند و به دلیل اختلاف دما هوا را ایجاد می کند. پره های توربین می چرخند و انرژی تولید می کنند.

بسیاری از ما به نوعی با سلول های خورشیدی مواجه شده ایم. شخصی از پنل های خورشیدی برای تولید برق برای مصارف خانگی استفاده کرده است یا از آن استفاده می کند، شخصی از یک پنل خورشیدی کوچک برای شارژ ابزار مورد علاقه خود در میدان استفاده می کند، و شخصی مطمئناً یک سلول خورشیدی کوچک را روی یک ریز حسابگر دیده است. برخی از آنها حتی به اندازه کافی خوش شانس بودند که بازدید کنند.

اما آیا تا به حال به این فکر کرده اید که فرآیند تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی چگونه اتفاق می افتد؟ چه پدیده فیزیکی زیربنای عملکرد همه این سلول های خورشیدی است؟ بیایید به فیزیک بپردازیم و فرآیند تولید را با جزئیات درک کنیم.

از همان ابتدا، واضح است که منبع انرژی در اینجا نور خورشید است یا به عبارت علمی، به لطف فوتون های تابش خورشیدی به دست می آید. این فوتون‌ها را می‌توان به‌عنوان جریانی از ذرات بنیادی در حال حرکت از خورشید تصور کرد که هر کدام دارای انرژی هستند و بنابراین کل جریان نور حامل نوعی انرژی است.

از هر متر مربع از سطح خورشید، 63 مگاوات انرژی به شکل تابش به طور پیوسته ساطع می شود! حداکثر شدت این تابش در محدوده طیف مرئی - .

بنابراین، دانشمندان تعیین کرده اند که چگالی انرژی جریان نور خورشید در فاصله 149600000 کیلومتری خورشید تا زمین، پس از عبور از جو و با رسیدن به سطح سیاره ما، به طور متوسط ​​تقریباً 900 وات در متر مربع است.

در اینجا می توانید این انرژی را بپذیرید و سعی کنید از آن الکتریسیته به دست آورید، یعنی انرژی شار نور خورشید را به انرژی ذرات باردار متحرک و به عبارت دیگر به انرژی تبدیل کنید.

برای تبدیل نور به برق نیاز داریم مبدل فوتوالکتریک. چنین مبدل هایی بسیار رایج هستند، آنها برای فروش رایگان در دسترس هستند، اینها به اصطلاح سلول های خورشیدی هستند - مبدل های فوتوالکتریک به شکل ویفرهایی که از سیلیکون بریده شده اند.

بهترین ها تک کریستالی هستند، بازدهی حدود 18 درصد دارند، یعنی اگر شار فوتون از خورشید دارای چگالی انرژی 900 وات بر متر مربع باشد، می توانید روی دریافت 160 وات برق در هر متر مربع حساب کنید. یک باتری مونتاژ شده از چنین سلول هایی.

پدیده ای به نام "افکت عکس" در اینجا در حال کار است. اثر فوتوالکتریک یا اثر فوتوالکتریک- این پدیده انتشار الکترون ها توسط یک ماده (پدیده پرتاب الکترون ها از اتم های یک ماده) تحت تأثیر نور یا هر تابش الکترومغناطیسی دیگر است.

در سال 1900، ماکس پلانک، پدر فیزیک کوانتومی، پیشنهاد کرد که نور در بخش‌ها یا کوانتوم‌های منفرد ساطع و جذب می‌شود، که بعدها، یعنی در سال 1926، شیمی‌دان گیلبرت لوئیس آن را "فوتون" نامید.

هر فوتون دارای انرژی است که با فرمول E = hv - ثابت پلانک در فرکانس تابش ضرب می شود.

مطابق با ایده ماکس پلانک، پدیده ای که در سال 1887 توسط هرتز کشف شد و سپس از سال 1888 تا 1890 توسط استولتوف به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفت، قابل توضیح شد. الکساندر استولتوف به طور تجربی اثر فوتوالکتریک را مطالعه کرد و سه قانون اثر فوتوالکتریک را ایجاد کرد (قوانین استولتوف):

با ترکیب طیفی ثابت تابش الکترومغناطیسی که بر روی فوتوکاتد وارد می شود، جریان نور اشباع متناسب با روشنایی انرژی کاتد است (به عبارت دیگر: تعداد فوتوالکترون هایی که در 1 ثانیه از کاتد حذف می شوند با شدت تابش مستقیماً متناسب است). .

حداکثر سرعت اولیه فوتوالکترون ها به شدت نور فرودی بستگی ندارد، بلکه تنها با فرکانس آن تعیین می شود.

برای هر ماده یک حد قرمز از اثر فوتوالکتریک وجود دارد، یعنی حداقل فرکانس نور (بسته به ماهیت شیمیایی ماده و وضعیت سطح)، که زیر آن اثر فوتوالکتریک غیرممکن است.

بعدها، در سال 1905، اینشتین نظریه اثر فوتوالکتریک را روشن کرد. او نشان خواهد داد که چگونه نظریه کوانتومی نور و قانون بقا و تبدیل انرژی به خوبی آنچه را که اتفاق می افتد و مشاهده می شود توضیح می دهد. انیشتین معادله اثر فوتوالکتریک را نوشت که به خاطر آن جایزه نوبل را در سال 1921 دریافت کرد:

تابع کار A در اینجا حداقل کاری است که یک الکترون برای ترک یک اتم یک ماده باید انجام دهد. عبارت دوم انرژی جنبشی الکترون پس از خروج است.

یعنی یک فوتون توسط یک الکترون یک اتم جذب می شود که به دلیل آن انرژی جنبشی الکترون در اتم به میزان انرژی فوتون جذب شده افزایش می یابد.

بخشی از این انرژی صرف خروج الکترون از اتم می شود، الکترون اتم را ترک می کند و می تواند آزادانه حرکت کند. و الکترون های متحرک جهت دار چیزی بیش از یک جریان الکتریکی یا جریان نوری نیستند. در نتیجه، می توانیم در مورد وقوع EMF در یک ماده در نتیجه اثر فوتوالکتریک صحبت کنیم.

به این معنا که، باتری خورشیدی به لطف اثر فوتوالکتریک فعال در آن کار می کند.اما الکترون‌های «ناک‌آوت» در مبدل فتوولتائیک کجا می‌روند؟ یک مبدل فوتوالکتریک یا یک سلول خورشیدی یا یک فتوسل است، بنابراین، اثر فوتوالکتریک در آن به شکلی غیرعادی رخ می دهد، این یک اثر فوتوالکتریک داخلی است و حتی نام ویژه ای دارد "فوتوافکت شیر".

تحت تأثیر نور خورشید، یک اثر فوتوالکتریک در اتصال p-n یک نیمه هادی رخ می دهد و یک emf ظاهر می شود، اما الکترون ها از فتوسل خارج نمی شوند، همه چیز در لایه مسدود کننده اتفاق می افتد، زمانی که الکترون ها یک قسمت از بدن را ترک می کنند و به قسمت دیگر می روند. از آن

سیلیسیم در پوسته زمین 30 درصد جرم آن را تشکیل می دهد و به همین دلیل است که در همه جا از آن استفاده می شود. ویژگی نیمه هادی ها به طور کلی این است که آنها نه رسانا هستند و نه دی الکتریک، هدایت آنها به غلظت ناخالصی ها، دما و قرار گرفتن در معرض تابش بستگی دارد.

شکاف نواری در یک نیمه هادی چندین الکترون ولت است و این دقیقاً تفاوت انرژی بین سطح بالای نوار ظرفیت اتم ها که الکترون ها از آن فرار می کنند و سطح پایین نوار رسانایی است. در سیلیکون، bandgap دارای عرض 1.12 eV است - همان چیزی که برای جذب تابش خورشیدی لازم است.

بنابراین، اتصال p-n. لایه های دوپ شده سیلیکون در یک فتوسل یک اتصال p-n را تشکیل می دهند. در اینجا یک مانع انرژی برای الکترون ها ایجاد می شود که آنها نوار ظرفیت را ترک می کنند و فقط در یک جهت حرکت می کنند. به این ترتیب جریان در سلول خورشیدی تولید می شود، یعنی برق از نور خورشید تولید می شود.

اتصال Pn که در معرض فوتون‌ها قرار می‌گیرد، اجازه نمی‌دهد حامل‌های بار - الکترون‌ها و حفره‌ها - به غیر از یک جهت از هم جدا شوند و به طرف مقابل می‌رسند. و با اتصال به مدار بار از طریق الکترودهای بالا و پایین، مبدل فوتوالکتریک در صورت قرار گرفتن در معرض نور خورشید، در مدار خارجی ایجاد می کند.

این روش تولید برق بر اساس نور خورشید، در کتاب های درسی با نام – فوتون ها نامگذاری شده است. برای ما جالبه چون جریان نور هم مثل جریان هوای متحرک انرژی داره! در فاصله یک واحد نجومی (149597870.66 کیلومتر) از خورشید، جایی که زمین ما قرار دارد، چگالی شار تابش خورشیدی 1360 W/m2 است. و با عبور از جو زمین، جریان در اثر بازتاب و جذب شدت خود را از دست می دهد و در سطح زمین در حال حاضر ~ 1000 وات بر متر مربع است. اینجاست که کار ما شروع می شود: استفاده از انرژی شار نور و تبدیل آن به انرژی مورد نیاز در زندگی روزمره - الکتریکی.

رمز و راز این دگرگونی بر روی یک شبه مربع کوچک با گوشه های اریب که از یک استوانه سیلیکونی بریده شده است (شکل 2) به قطر 125 میلی متر رخ می دهد و نام آن . چگونه؟

پاسخ این سوال توسط فیزیکدانانی دریافت شد که پدیده ای مانند اثر فوتوالکتریک را کشف کردند. اثر فوتوالکتریک پدیده ای است که الکترون ها از اتم های یک ماده تحت تأثیر نور پرتاب می شوند.

در سال 1900 فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک فرضیه ای را ارائه کرد: نور در بخش های جداگانه ساطع و جذب می شود. کوانت(یا فوتون ها). انرژی هر فوتون با فرمول زیر تعیین می شود: E =ساعت∙ ν (خاکستر برهنه) که در آن ساعت- ثابت پلانک برابر با 6.626 × 10 -34 J∙s، ν - فرکانس فوتون فرضیه پلانک پدیده اثر فوتوالکتریک را که در سال 1887 توسط دانشمند آلمانی هاینریش هرتز کشف شد و توسط دانشمند روسی الکساندر گریگوریویچ استولتوف به صورت تجربی مورد مطالعه قرار گرفت، توضیح داد. سه قانون اثر فوتوالکتریک:

1. با ترکیب طیفی ثابت نور، قدرت جریان اشباع مستقیماً با شار نوری که روی کاتد وارد می‌شود، متناسب است.
2. انرژی جنبشی اولیه الکترونهای پرتاب شده توسط نور به صورت خطی با افزایش فرکانس نور افزایش می یابد و به شدت آن بستگی ندارد.
3. اگر فرکانس نور کمتر از مقدار مشخصی از هر ماده باشد که حد قرمز نامیده می شود، اثر فوتوالکتریک رخ نمی دهد.

تئوری اثر فوتوالکتریک، که راز حاکم بر FEP را روشن می کند، توسط دانشمند آلمانی آلبرت انیشتین در سال 1905 توسعه یافت و قوانین را توضیح داد. اثر فوتوالکتریک با استفاده از نظریه کوانتومی نور بر اساس قانون بقا و تبدیل انرژی، انیشتین معادله تعادل انرژی را در طول اثر فوتوالکتریک نوشت:

جایی که: ساعت∙ ν - انرژی فوتون، آ– تابع کار – حداقل کاری که برای خروج الکترون از اتم یک ماده باید انجام شود. بنابراین، معلوم می شود که یک ذره نور - یک فوتون - توسط یک الکترون جذب می شود که انرژی جنبشی بیشتری به دست می آورد. ½ متر∙v 2 و کار ترک اتم را انجام می دهد که به آن فرصت حرکت آزادانه می دهد. و حرکت جهت دار بارهای الکتریکی جریان الکتریکی است، یا به عبارت صحیح تر، نیروی الکتریکی - E.M.F - در ماده ایجاد می شود.

اینشتین جایزه نوبل را برای معادله اثر فوتوالکتریک در سال 1921 دریافت کرد.

با بازگشت از گذشته به امروز، می بینیم که "قلب" باتری خورشیدی یک FEP (فوتوسل نیمه هادی) است که در آن معجزه شگفت انگیز طبیعت - Valve PhotoEffect (VPE) تحقق می یابد. این شامل ظهور یک نیروی الکتروموتور در یک اتصال p-n تحت تأثیر نور است. VFE یا اثر فوتوالکتریک در لایه مانع، - پدیده ای است که در آن الکترون ها از بدن خارج می شوند و از رابط به جسم جامد دیگری (نیمه هادی) عبور می کنند.

نیمه هادی ها- اینها موادی هستند که از نظر رسانایی خاص خود موقعیت متوسطی را بین هادی ها و دی الکتریک ها اشغال می کنند و از نظر وابستگی شدید رسانایی خاص به غلظت ناخالصی ها ، دما و انواع مختلف تابش با هادی ها متفاوت هستند. نیمه رساناها موادی هستند که فاصله باند آنها به ترتیب چندین الکترون ولت [eV] است. شکاف نواری تفاوت در انرژی های الکترون در یک کریستال نیمه هادی بین سطح پایین نوار رسانایی و سطح بالایی باند ظرفیت نیمه هادی است.

نیمه هادی ها شامل عناصر شیمیایی بسیاری هستند: ژرمانیوم، سیلیکون، سلنیوم، تلوریم، آرسنیک و غیره، تعداد زیادی آلیاژ و ترکیبات شیمیایی (آرسنید گالیم و غیره) رایج ترین نیمه هادی در طبیعت است. سیلیکون, حدود 30 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد.

سیلیکون به دلیل وجود گسترده در طبیعت، سبک بودن و فاصله باند مناسب 1.12 eV برای جذب انرژی از نور خورشید، قرار بود به ماده ای تبدیل شود. امروزه سیلیکون کریستالی (حدود 90 درصد بازار جهانی) و سلول های خورشیدی لایه نازک (حدود 10 درصد بازار) برجسته ترین در بازار سیستم های تجاری زمینی هستند.

عنصر کلیدی در طراحی مبدل های فتوولتائیک سیلیکونی کریستالی (PVCs) اتصال p-n است. در یک شکل ساده، یک سلول خورشیدی را می توان به عنوان یک "ساندویچ" نشان داد: این سلول از لایه های سیلیکونی دوپ شده برای تشکیل یک اتصال p-n تشکیل شده است.

یکی از ویژگی‌های اصلی اتصال pn توانایی آن به عنوان یک مانع انرژی برای حامل‌های جریان است، یعنی اجازه می‌دهد آنها فقط در یک جهت عبور کنند. بر این اثر است که تولید جریان الکتریکی در سلول های خورشیدی است. تابش تابشی بر روی سطح عنصر حامل های بار با علائم مختلف در حجم نیمه هادی - الکترون ها (n) و سوراخ ها (p) تولید می کند. به لطف ویژگی های خود، اتصال pn آنها را "جدا" می کند و به هر نوع اجازه می دهد فقط از نیمه "خود" خود عبور کند و حامل های بار که به طور آشفته در حجم عنصر حرکت می کنند به طرف های مخالف سد ختم می شوند و پس از آن، آنها را از بین می برند. می تواند به یک مدار خارجی برای ایجاد ولتاژ در سراسر بار و جریان الکتریکی در یک مدار بسته متصل به یک سلول خورشیدی منتقل شود.

تاریخچه مطالعه فتوسنتز به آگوست 1771 باز می گردد، زمانی که الاهیدان، فیلسوف و طبیعت شناس آماتور انگلیسی جوزف پریستلی (1733-1804) کشف کرد که گیاهان می توانند خواص هوا را که در نتیجه احتراق یا ترکیب آن تغییر می کند، اصلاح کنند. فعالیت حیوانی پریستلی نشان داد که در حضور گیاهان، هوای "فاسد" دوباره برای احتراق و حمایت از زندگی حیوانات مناسب می شود.

در جریان تحقیقات بیشتر توسط Ingenhaus، Senebier، Saussure، Boussingault و دیگر دانشمندان، مشخص شد که گیاهان، هنگامی که روشن می شوند، اکسیژن آزاد می کنند و دی اکسید کربن را از هوا جذب می کنند. گیاهان مواد آلی را از دی اکسید کربن و آب سنتز می کنند. این فرآیند فتوسنتز نامیده شد.

رابرت مایر که قانون بقای انرژی را کشف کرد، در سال 1845 پیشنهاد کرد که گیاهان انرژی نور خورشید را به انرژی ترکیبات شیمیایی تشکیل شده در طول فتوسنتز تبدیل می کنند. به گفته وی، «اشعه‌های خورشید که در فضا منتشر می‌شوند، «گرفته» و برای استفاده بعدی در صورت نیاز ذخیره می‌شوند. متعاقباً دانشمند روسی K.A. تیمیریازف به طور قانع کننده ای ثابت کرد که مهم ترین نقش در استفاده از انرژی نور خورشید توسط گیاهان توسط مولکول های کلروفیل موجود در برگ های سبز است.

کربوهیدرات ها (قند) که در طول فتوسنتز تشکیل می شوند به عنوان منبع انرژی و مصالح ساختمانی برای سنتز ترکیبات آلی مختلف در گیاهان و حیوانات استفاده می شوند. در گیاهان عالی، فرآیندهای فتوسنتز در کلروپلاست ها، اندامک های تخصصی تبدیل کننده انرژی سلول گیاهی رخ می دهد.

یک نمایش شماتیک از یک کلروپلاست در شکل 1 نشان داده شده است. 1.

در زیر پوسته مضاعف کلروپلاست که از غشاهای بیرونی و داخلی تشکیل شده است، ساختارهای غشایی گسترده ای وجود دارد که وزیکول های بسته ای به نام تیلاکوئیدها را تشکیل می دهند. غشاهای تیلاکوئید از دو لایه مولکول های لیپیدی تشکیل شده اند که شامل کمپلکس های پروتئینی فتوسنتزی ماکرومولکولی است. در کلروپلاست‌های گیاهان عالی، تیلاکوئیدها به صورت گرانا دسته‌بندی می‌شوند که پشته‌هایی از تیلاکوئیدهای دیسکی شکل هستند که صاف شده و به هم فشرده شده‌اند. ادامه تک تک تیلاکوئیدهای گرانا، تیلاکوئیدهای بین دانه ای هستند که از آنها بیرون زده اند. فضای بین غشای کلروپلاست و تیلاکوئیدها استروما نامیده می شود. استروما حاوی مولکول های کلروپلاست RNA، DNA، ریبوزوم ها، دانه های نشاسته و همچنین آنزیم های متعددی است، از جمله آنزیم هایی که جذب CO2 توسط گیاهان را تضمین می کنند.

این نشریه با حمایت شرکت Sushi E’xpress تولید شده است. شرکت "Sushi E'xpress" خدمات تحویل سوشی را در نووسیبیرسک ارائه می دهد. با سفارش سوشی از شرکت Sushi E’xpress، به سرعت یک غذای خوشمزه و سالم را دریافت خواهید کرد که توسط سرآشپزهای حرفه ای با استفاده از تازه ترین مواد اولیه با بالاترین کیفیت تهیه شده است. با مراجعه به سایت شرکت Sushi E’xpress می توانید با قیمت و ترکیب رول های عرضه شده آشنا شوید که به شما در تصمیم گیری در انتخاب غذا کمک می کند. برای سفارش تحویل سوشی با شماره 239-55-87 تماس بگیرید

مراحل روشن و تاریک فتوسنتز

بر اساس مفاهیم مدرن، فتوسنتز مجموعه ای از فرآیندهای فوتوفیزیکی و بیوشیمیایی است که در نتیجه گیاهان با استفاده از انرژی نور خورشید، کربوهیدرات ها (قندها) را سنتز می کنند. مراحل متعدد فتوسنتز معمولاً به دو گروه بزرگ از فرآیندها تقسیم می شوند - فازهای روشن و تاریک.

مراحل نوری فتوسنتز معمولاً مجموعه‌ای از فرآیندها نامیده می‌شوند که در نتیجه به دلیل انرژی نور، مولکول‌های آدنوزین تری فسفات (ATP) سنتز می‌شوند و نیکوتین آمید آدنین دی‌نوکلئوتید فسفات احیا شده (NADP H)، ترکیبی با مقدار زیاد کاهش پتانسیل، رخ می دهد. مولکول های ATP به عنوان یک منبع جهانی انرژی در سلول عمل می کنند. انرژی پیوندهای فسفات ماکرو ارژیک (یعنی غنی از انرژی) مولکول ATP شناخته شده است که در اکثر فرآیندهای بیوشیمیایی که انرژی مصرف می کنند استفاده می شود.

فرآیندهای نوری فتوسنتز در تیلاکوئیدها اتفاق می افتد، غشاهای آن حاوی اجزای اصلی دستگاه فتوسنتزی گیاهان - مجتمع های رنگدانه-پروتئین و انتقال الکترون جمع آوری نور، و همچنین مجتمع سنتاز ATP، که تشکیل ATP از آدنوزین را کاتالیز می کند. دی فسفات (ADP) و فسفات معدنی (P i) (ADP + Ф i → ATP + H 2 O). بنابراین، در نتیجه مراحل نوری فتوسنتز، انرژی نور جذب شده توسط گیاهان به شکل پیوندهای شیمیایی پرانرژی مولکول‌های ATP و عامل احیاکننده قوی NADP H ذخیره می‌شود که برای سنتز کربوهیدرات‌ها استفاده می‌شود. مراحل به اصطلاح تاریک فتوسنتز.

مراحل تاریک فتوسنتز معمولاً مجموعه ای از واکنش های بیوشیمیایی نامیده می شود که در نتیجه دی اکسید کربن اتمسفر (CO 2) توسط گیاهان جذب می شود و کربوهیدرات ها تشکیل می شوند. چرخه تبدیل‌های بیوشیمیایی تاریک که منجر به سنتز ترکیبات آلی از CO2 و آب می‌شود، چرخه کالوین-بنسون نامیده می‌شود که به نام نویسندگانی که سهم تعیین‌کننده‌ای در مطالعه این فرآیندها داشته‌اند، نامگذاری شده است. برخلاف کمپلکس‌های انتقال الکترون و سنتاز ATP که در غشای تیلاکوئید قرار دارند، آنزیم‌هایی که واکنش‌های تاریک فتوسنتز را کاتالیز می‌کنند در استروما حل می‌شوند. هنگامی که غشای کلروپلاست از بین می رود، این آنزیم ها از استروما شسته می شوند و در نتیجه کلروپلاست ها توانایی جذب دی اکسید کربن را از دست می دهند.

در نتیجه تبدیل تعدادی از ترکیبات آلی در چرخه کالوین-بنسون، یک مولکول گلیسرآلدئید-3-فسفات از سه مولکول CO2 و آب در کلروپلاست ها تشکیل می شود که دارای فرمول شیمیایی CHO-CHOH-CH2 است. O–PO 3 2-. در این حالت، به ازای هر یک مولکول CO 2 موجود در گلیسرآلدئید-3-فسفات، سه مولکول ATP و دو مولکول NADP H مصرف می شود.

برای سنتز ترکیبات آلی در چرخه کالوین-بنسون، انرژی آزاد شده در طی واکنش هیدرولیز پیوندهای فسفات پرانرژی مولکول‌های ATP (واکنش ATP + H 2 O → ADP + Phi) و پتانسیل کاهش قوی NADP H از مولکول ها استفاده می شود که بخش عمده ای از مولکول های تشکیل شده در کلروپلاست گلیسرآلدئید-3-فسفات وارد سیتوزول سلول گیاهی می شود و در آنجا به فروکتوز-6-فسفات و گلوکز-6-فسفات تبدیل می شود. فسفات، پیش ساز ساکارز. نشاسته از مولکول های گلیسرآلدئید-3-فسفات باقی مانده در کلروپلاست سنتز می شود.

تبدیل انرژی در مراکز واکنش فتوسنتزی

مجتمع های تبدیل کننده انرژی فتوسنتزی گیاهان، جلبک ها و باکتری های فتوسنتزی به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته اند. ترکیب شیمیایی و ساختار فضایی مجتمع‌های پروتئینی تبدیل‌کننده انرژی ایجاد شده‌اند و توالی فرآیندهای تبدیل انرژی روشن شده‌اند. با وجود تفاوت در ترکیب و ساختار مولکولی دستگاه فتوسنتزی، الگوهای کلی فرآیندهای تبدیل انرژی در مراکز واکنش نوری همه موجودات فتوسنتزی وجود دارد. در سیستم های فتوسنتزی با منشاء گیاهی و باکتریایی، واحد ساختاری و عملکردی دستگاه فتوسنتزی است. فتوسیستم، که شامل یک آنتن برداشت نور، یک مرکز واکنش فتوشیمیایی و مولکول های مرتبط - حامل های الکترون است.

اجازه دهید ابتدا اصول کلی تبدیل انرژی نور خورشید را که مشخصه همه سیستم های فتوسنتزی است در نظر بگیریم و سپس با جزئیات بیشتری در مورد مثال عملکرد مراکز واکنش نوری و زنجیره انتقال الکترون کلروپلاست ها در گیاهان عالی صحبت خواهیم کرد.

آنتن برداشت نور (جذب نور، انتقال انرژی به مرکز واکنش)

اولین عمل ابتدایی فتوسنتز، جذب نور توسط مولکول های کلروفیل یا رنگدانه های کمکی است که بخشی از یک مجموعه پروتئین-رنگدانه خاص به نام آنتن برداشت نور هستند. آنتن برداشت نور یک مجموعه ماکرومولکولی است که برای جذب موثر نور طراحی شده است. در کلروپلاست، مجموعه آنتن حاوی تعداد زیادی (تا چند صد) مولکول کلروفیل و مقدار مشخصی رنگدانه کمکی (کاروتنوئیدها) است که به طور محکم به پروتئین متصل شده اند.

در نور شدید خورشید، یک مولکول کلروفیل منفرد نسبتاً به ندرت کوانتومی نور را جذب می کند، به طور متوسط ​​بیش از 10 بار در ثانیه. با این حال، از آنجایی که تعداد زیادی مولکول کلروفیل در هر مرکز واکنش نوری (200-400) وجود دارد، حتی با شدت نسبتاً ضعیفی از تابش نور بر روی برگ در شرایط سایه‌زنی گیاه، مرکز واکنش اغلب فعال می‌شود. مجموعه رنگدانه هایی که نور را جذب می کنند اساساً به عنوان یک آنتن عمل می کنند که به دلیل اندازه نسبتاً بزرگ خود به طور مؤثر نور خورشید را جذب می کند و انرژی آن را به مرکز واکنش هدایت می کند. گیاهان سایه دوست، به طور معمول، در مقایسه با گیاهانی که در شرایط نور بالا رشد می کنند، آنتن برداشت نور بزرگتری دارند.

در گیاهان، رنگدانه های اصلی جذب کننده نور، مولکول های کلروفیل هستند. آو کلروفیل بجذب نور مرئی با طول موج λ ≤ 700-730 نانومتر. مولکول های کلروفیل جدا شده نور را فقط در دو باند نسبتا باریک از طیف خورشیدی جذب می کنند: در طول موج های 660-680 نانومتر (نور قرمز) و 430-450 نانومتر (نور آبی-بنفش)، که البته کارایی استفاده از نور را محدود می کند. طیف کامل نور خورشید بر روی یک برگ سبز.

با این حال، ترکیب طیفی نور جذب شده توسط آنتن جمع‌آوری نور در واقع بسیار گسترده‌تر است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که طیف جذب اشکال کلروفیل تجمع یافته که بخشی از آنتن برداشت نور هستند به سمت طول موج های طولانی تر تغییر می کند. همراه با کلروفیل، آنتن جمع‌آوری نور شامل رنگدانه‌های کمکی است که به دلیل جذب نور در مناطقی از طیف که در آن مولکول‌های کلروفیل، رنگدانه اصلی آنتن جمع‌آوری نور، جذب نور می‌شوند، کارایی عملکرد آن افزایش می‌یابد. نور نسبتا ضعیف

در گیاهان، رنگدانه های کمکی کاروتنوئیدهایی هستند که نور را در ناحیه طول موج λ ≈ 450-480 نانومتر جذب می کنند. در سلول های جلبک های فتوسنتزی اینها رنگدانه های قرمز و آبی هستند: فیکواریترین ها در جلبک های قرمز (λ ≈ 495-565 نانومتر) و فیکوسیانین ها در جلبک های سبز آبی (λ ≈ 550-615 نانومتر).

جذب یک کوانتوم نور توسط یک مولکول کلروفیل (Chl) یا یک رنگدانه کمکی منجر به تحریک آن می شود (الکترون به سطح انرژی بالاتری حرکت می کند):

Chl + hν → Chl*.

انرژی مولکول کلروفیل تحریک‌شده Chl* به مولکول‌های رنگدانه‌های مجاور منتقل می‌شود، که به نوبه خود می‌تواند آن را به مولکول‌های دیگر آنتن جمع‌آوری نور منتقل کند:

Chl* + Chl → Chl + Chl*.

بنابراین انرژی تحریک می تواند از طریق ماتریس رنگدانه مهاجرت کند تا زمانی که تحریک در نهایت به مرکز واکنش نوری P برسد (نمایشی شماتیک از این فرآیند در شکل 2 نشان داده شده است):

Chl* + P → Chl + P*.

توجه داشته باشید که مدت زمان وجود مولکول های کلروفیل و سایر رنگدانه ها در حالت برانگیخته بسیار کوتاه است، τ ≈ 10-10-10-9 s. بنابراین، احتمال مشخصی وجود دارد که در راه رسیدن به مرکز واکنش P، ​​انرژی چنین حالت‌های برانگیخته رنگدانه‌های کوتاه‌مدتی ممکن است بیهوده از بین برود - به گرما پراکنده شود یا به شکل یک کوانتوم نور آزاد شود (پدیده فلورسانس). با این حال، در واقعیت، راندمان مهاجرت انرژی به مرکز واکنش فتوسنتزی بسیار بالا است. در شرایطی که مرکز واکنش در حالت فعال است، احتمال از دست دادن انرژی، به طور معمول، بیش از 10-15٪ نیست. این راندمان بالای استفاده از انرژی خورشیدی به این دلیل است که آنتن جمع‌آوری نور یک ساختار بسیار منظم است که تعامل بسیار خوبی رنگدانه‌ها با یکدیگر را تضمین می‌کند. به لطف این، سرعت بالایی از انتقال انرژی تحریک از مولکول هایی که نور را جذب می کنند به مرکز واکنش نوری به دست می آید. میانگین زمان برای "پرش" انرژی تحریک از یک رنگدانه به رنگدانه دیگر، به طور معمول، τ ≈ 10-12-10-11 ثانیه است. کل زمان مهاجرت تحریک به مرکز واکنش معمولاً از 10-10-10-9 ثانیه تجاوز نمی کند.

مرکز واکنش فتوشیمیایی (انتقال الکترون، تثبیت بارهای جدا شده)

ایده های مدرن در مورد ساختار مرکز واکنش و مکانیسم های مراحل اولیه فتوسنتز توسط آثار A.A. کراسنوفسکی کشف کرد که در حضور دهنده ها و گیرنده های الکترون، مولکول های کلروفیل برانگیخته شده توسط نور می توانند به طور برگشت پذیر کاهش یابند (الکترون را بپذیرند) و اکسید شوند (الکترون اهدا کنند). متعاقباً، Cock، Witt و Duyzens در گیاهان، جلبک‌ها و باکتری‌های فتوسنتزی رنگدانه‌های خاصی با ماهیت کلروفیل به نام مراکز واکنش کشف کردند که تحت تأثیر نور اکسید می‌شوند و در واقع اهداکننده‌های اولیه الکترون در طول فتوسنتز هستند.

مرکز واکنش فتوشیمیایی P یک جفت (دایمر) ویژه از مولکول‌های کلروفیل است که به عنوان تله‌ای برای انرژی برانگیختگی که در ماتریس رنگدانه آنتن جمع‌آوری نور سرگردان است عمل می‌کند (شکل 2). همانطور که مایع از دیواره های یک قیف پهن به سمت گردن باریک آن جریان می یابد، انرژی نور جذب شده توسط تمام رنگدانه های آنتن جمع آوری نور به مرکز واکنش هدایت می شود. تحریک مرکز واکنش زنجیره ای از تبدیلات بیشتر انرژی نور را در طول فتوسنتز آغاز می کند.

توالی فرآیندهایی که پس از تحریک مرکز واکنش P و نمودار تغییرات مربوطه در انرژی فتوسیستم رخ می دهد به طور شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است. 3.

همراه با دایمر کلروفیل P، کمپلکس فتوسنتزی شامل مولکول‌های گیرنده‌های الکترون اولیه و ثانویه است که معمولاً آنها را A و B تعیین می‌کنیم، و همچنین اهداکننده الکترون اولیه، مولکول D. مرکز واکنش برانگیخته P* دارای میزان پایینی است. میل به الکترون دارد و بنابراین به راحتی به گیرنده الکترون اولیه نزدیک خود A اهدا می کند:

D(P*A)B → D(P + A –)B.

بنابراین، در نتیجه انتقال الکترون بسیار سریع (t ≈10-12 s) از P * به A، دومین مرحله اساسی مهم تبدیل انرژی خورشیدی در طول فتوسنتز تحقق می یابد - جداسازی بار در مرکز واکنش. در این حالت، یک عامل احیا کننده قوی A – (دهنده الکترون) و یک عامل اکسید کننده قوی P + (پذیرنده الکترون) تشکیل می شود.

مولکول های P + و A - به طور نامتقارن در غشاء قرار دارند: در کلروپلاست ها، مرکز واکنش P + نزدیک تر به سطح غشاء رو به داخل تیلاکوئید قرار دارد و گیرنده A - نزدیک تر به بیرون قرار دارد. بنابراین، در نتیجه جداسازی بار ناشی از نور، اختلاف پتانسیل الکتریکی روی غشاء ایجاد می‌شود. جداسازی بار ناشی از نور در مرکز واکنش شبیه به تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در یک فتوسل معمولی است. با این حال باید تاکید کرد که بر خلاف تمام مبدل های نور شناخته شده و پرکاربرد انرژی در فناوری، راندمان مراکز واکنش فتوسنتزی بسیار بالا است. راندمان جداسازی بار در مراکز واکنش فتوسنتزی فعال، به عنوان یک قاعده، از 90 تا 95٪ فراتر می رود (بهترین نمونه های سلول های خورشیدی بازدهی بیش از 30٪ ندارند).

چه مکانیسم هایی چنین بازده بالایی از تبدیل انرژی را در مراکز واکنش فراهم می کند؟ چرا الکترون منتقل شده به گیرنده A به مرکز اکسید شده با بار مثبت P + باز نمی گردد؟ تثبیت بارهای جدا شده عمدتاً به دلیل فرآیندهای انتقال الکترون ثانویه به دنبال انتقال یک الکترون از P* به A تضمین می شود. از گیرنده اولیه بازسازی شده A، یک الکترون خیلی سریع (در 10-10-10-9 ثانیه) به سمت الکترون می رود. گیرنده الکترون ثانویه B:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

در این حالت، نه تنها الکترون از مرکز واکنش با بار مثبت P + دور می شود، بلکه انرژی کل سیستم نیز به طور محسوسی کاهش می یابد (شکل 3). این بدان معنی است که برای انتقال یک الکترون در جهت مخالف (انتقال B - → A)، باید بر یک سد انرژی نسبتاً بالا ΔE ≈ 0.3-0.4 eV غلبه کند، جایی که ΔE تفاوت در سطوح انرژی برای دو حالت است. سیستمی که در آن الکترون به ترتیب روی حامل A یا B قرار دارد. به همین دلیل، برای بازگشت الکترون، از مولکول کاهش یافته B - به مولکول اکسید شده A، زمان بسیار بیشتری نسبت به انتقال مستقیم A - نیاز دارد. → ب. به عبارت دیگر، در جهت رو به جلو، الکترون بسیار سریعتر از معکوس منتقل می شود. بنابراین، پس از انتقال الکترون به گیرنده ثانویه B، احتمال بازگشت آن به عقب و ترکیب مجدد با "حفره" P + با بار مثبت به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

دومین عاملی که به تثبیت بارهای جدا شده کمک می کند، خنثی سازی سریع مرکز واکنش نوری اکسید شده P + به دلیل الکترونی است که از دهنده الکترون D به P + عرضه می شود:

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

مرکز واکنش پس از دریافت الکترون از مولکول دهنده D و بازگشت به حالت کاهش یافته اولیه خود P، دیگر قادر به پذیرش الکترون از گیرنده های کاهش یافته نخواهد بود، اما اکنون آماده شلیک مجدد است - برای دادن یک الکترون به گیرنده اولیه اکسید شده A که در کنار آن قرار دارد، این توالی رویدادهایی است که در مراکز واکنش نوری همه سیستم های فتوسنتزی رخ می دهد.

زنجیره انتقال الکترون کلروپلاست

در کلروپلاست گیاهان عالی دو فتوسیستم وجود دارد: فتوسیستم 1 (PS1) و فتوسیستم 2 (PS2) که در ترکیب پروتئین ها، رنگدانه ها و خواص نوری متفاوت هستند. آنتن برداشت نور FS1 نور با طول موج λ ≤ 700-730 نانومتر را جذب می کند و FS2 نور با طول موج λ ≤ 680-700 نانومتر را جذب می کند. اکسیداسیون ناشی از نور مراکز واکنش PS1 و PS2 با سفید شدن آنها همراه است، که با تغییرات در طیف جذب آنها در λ ≈ 700 و 680 نانومتر مشخص می شود. مراکز واکنش PS1 و PS2 با توجه به ویژگی های نوری آنها P 700 و P 680 نامگذاری شدند.

این دو فتوسیستم از طریق زنجیره ای از حامل های الکترون به هم متصل هستند (شکل 4). PS2 منبع الکترون برای PS1 است. جداسازی بار آغاز شده با نور در مراکز واکنش نوری P 700 و P 680 انتقال الکترون از آب تجزیه شده در PS2 به گیرنده الکترون نهایی - مولکول NADP + را تضمین می کند. زنجیره انتقال الکترون (ETC) که دو فتوسیستم را به هم متصل می‌کند، شامل مولکول‌های پلاستوکینون، یک مجتمع پروتئین انتقال الکترون جداگانه (به اصطلاح کمپلکس b/f) و پروتئین محلول در آب پلاستوسیانین (Pc) به عنوان حامل الکترون است. نموداری که آرایش نسبی کمپلکس های انتقال الکترون در غشای تیلاکوئید و مسیر انتقال الکترون از آب به NADP + را نشان می دهد در شکل 1 نشان داده شده است. 4.

در PS2، از مرکز برانگیخته P* 680، یک الکترون ابتدا به فئوفتین پذیرنده اولیه (Phe) و سپس به مولکول پلاستوکینون QA منتقل می‌شود که محکم به یکی از پروتئین‌های PS2 متصل می‌شود.

Y(P* 680 Phe)Q A Q B → Y(P + 680 Phe –)Q A Q B →Y(P + 680 Phe)Q A – Q B.

سپس الکترون به مولکول دوم پلاستوکینون QB منتقل می شود و P 680 یک الکترون از دهنده الکترون اولیه Y دریافت می کند:

Y(P + 680 Phe)Q A – Q B → Y + (P 680 Phe)Q A Q B – .

مولکول پلاستوکینون که فرمول شیمیایی آن و محل آن در غشای دولایه لیپیدی در شکل نشان داده شده است. 5، قادر به پذیرش دو الکترون است. پس از دو بار شلیک مرکز واکنش PS2، مولکول پلاستوکینون Q B دو الکترون دریافت می کند:

Q B + 2е – → Q B 2– .

مولکول QB2- با بار منفی میل ترکیبی بالایی برای یون های هیدروژن دارد که از فضای استرومایی می گیرد. پس از پروتونه شدن پلاستوکینون احیا شده Q B 2- (Q B 2- + 2H + → QH 2)، یک شکل الکتریکی خنثی از این مولکول QH 2 تشکیل می شود که پلاستوکینول نامیده می شود (شکل 5). پلاستوکوینول به عنوان یک حامل متحرک دو الکترون و دو پروتون عمل می کند: پس از خروج از PS2، مولکول QH 2 می تواند به راحتی در داخل غشای تیلاکوئید حرکت کند و از اتصال PS2 با سایر مجتمع های انتقال الکترون اطمینان حاصل کند.

مرکز واکنش اکسید شده PS2 R 680 دارای میل الکترونی فوق العاده بالایی است، به عنوان مثال. یک عامل اکسید کننده بسیار قوی است. به همین دلیل، PS2 آب را که یک ترکیب شیمیایی پایدار است، تجزیه می کند. مجتمع تقسیم آب (WSC)، که بخشی از PS2 است، در مرکز فعال خود شامل گروهی از یون‌های منگنز (Mn 2+) است که به عنوان اهداکننده الکترون برای P680 عمل می‌کنند. با اهدای الکترون به مرکز واکنش اکسید شده، یون های منگنز به «انباشته کننده» بارهای مثبت تبدیل می شوند که مستقیماً در واکنش اکسیداسیون آب نقش دارند. در نتیجه فعال‌سازی چهارگانه متوالی مرکز واکنش P680، چهار معادل اکسیداتیو قوی (یا چهار سوراخ) در مرکز فعال حاوی منگنز VRC به شکل یون‌های منگنز اکسید شده (Mn 4+) تجمع می‌کنند. در تعامل با دو مولکول آب، آب واکنش تجزیه را کاتالیز می کند:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2.

بنابراین، پس از انتقال متوالی چهار الکترون از VRC به P 680، تجزیه همزمان دو مولکول آب به طور همزمان اتفاق می‌افتد، همراه با آزاد شدن یک مولکول اکسیژن و چهار یون هیدروژن، که وارد فضای داخل تیلاکوئید کلروپلاست می‌شوند.

مولکول پلاستوکوینول QH 2 که در طول عملکرد PS2 تشکیل می شود، به داخل لایه لیپیدی غشای تیلاکوئید به کمپلکس b/f منتشر می شود (شکل 4 و 5). هنگامی که با یک کمپلکس b/f مواجه می شود، مولکول QH 2 به آن متصل می شود و سپس دو الکترون را به آن منتقل می کند. در این حالت به ازای هر مولکول پلاستوکینول که توسط کمپلکس b/f اکسید می شود، دو یون هیدروژن در داخل تیلاکوئید آزاد می شود. به نوبه خود، کمپلکس b/f به عنوان دهنده الکترون برای پلاستوسیانین (Pc)، یک پروتئین نسبتا کوچک محلول در آب که مرکز فعال آن شامل یون مس است، عمل می کند (واکنش های کاهش و اکسیداسیون پلاستوسیانین با تغییراتی در ظرفیت آن همراه است. یون مس Cu 2+ + e – ↔ Cu+). پلاستوسیانین به عنوان رابط بین کمپلکس b/f و PS1 عمل می کند. مولکول پلاستوسیانین به سرعت در داخل تیلاکوئید حرکت می کند و انتقال الکترون از کمپلکس b/f به PS1 را فراهم می کند. از پلاستوسیانین کاهش یافته، الکترون مستقیماً به مراکز واکنش اکسید شده PS1 - P 700 + می رود (شکل 4 را ببینید). بنابراین، در نتیجه عمل ترکیبی PS1 و PS2، دو الکترون از مولکول آب تجزیه شده در PS2 در نهایت از طریق زنجیره انتقال الکترون به مولکول NADP + منتقل می‌شوند و تشکیل عامل احیاکننده قوی NADP H را تضمین می‌کنند.

چرا کلروپلاست ها به دو فتوسیستم نیاز دارند؟ مشخص است که باکتری های فتوسنتزی که از ترکیبات آلی و معدنی مختلف (به عنوان مثال H 2 S) به عنوان اهدا کننده الکترون برای بازیابی مراکز واکنش اکسید شده استفاده می کنند، با موفقیت با یک فتوسیستم عمل می کنند. ظهور دو فتوسیستم به احتمال زیاد به این دلیل است که انرژی یک کوانتوم نور مرئی برای اطمینان از تجزیه آب و عبور مؤثر یک الکترون در امتداد زنجیره مولکول‌های حامل از آب به +NADP کافی نیست. حدود 3 میلیارد سال پیش، جلبک های سبز آبی یا سیانوباکتری ها روی زمین ظاهر شدند که توانایی استفاده از آب را به عنوان منبع الکترون برای کاهش دی اکسید کربن به دست آوردند. در حال حاضر، اعتقاد بر این است که PS1 از باکتری های سبز و PS2 از باکتری های بنفش منشاء می گیرد. پس از اینکه، در طی فرآیند تکاملی، PS2 در یک زنجیره انتقال الکترون منفرد همراه با PS1 قرار گرفت، حل مشکل انرژی امکان پذیر شد - برای غلبه بر تفاوت نسبتاً بزرگ در پتانسیل های ردوکس جفت های اکسیژن / آب و NADP + / NADP H. ظهور موجودات فتوسنتزی که قادر به اکسیداسیون آب بودند، به یکی از مهمترین مراحل در توسعه طبیعت زنده روی زمین تبدیل شد. اولاً، جلبک ها و گیاهان سبز، با "یادگیری" اکسید کردن آب، منبع پایان ناپذیری از الکترون ها برای کاهش NADP + را به دست آورده اند. ثانیاً، آنها با تجزیه آب، جو زمین را با اکسیژن مولکولی پر کردند و بدین ترتیب شرایطی را برای رشد سریع تکاملی موجوداتی که انرژی آنها با تنفس هوازی همراه است ایجاد کردند.

جفت شدن فرآیندهای انتقال الکترون با انتقال پروتون و سنتز ATP در کلروپلاست

انتقال الکترون از طریق ETC معمولا با کاهش انرژی همراه است. این فرآیند را می توان به حرکت خود به خودی بدن در امتداد یک صفحه شیبدار تشبیه کرد. کاهش سطح انرژی یک الکترون در طول حرکت آن در امتداد ETC به هیچ وجه به این معنی نیست که انتقال الکترون همیشه یک فرآیند انرژی بی فایده است. در شرایط عادی عملکرد کلروپلاست، بیشتر انرژی آزاد شده در طول انتقال الکترون بیهوده هدر نمی رود، بلکه برای عملکرد یک مجتمع تبدیل کننده انرژی خاص به نام سنتاز ATP استفاده می شود. این کمپلکس فرآیند انرژی نامطلوب تشکیل ATP از ADP و فسفات معدنی Pi را کاتالیز می کند (واکنش ADP + Pi → ATP + H2O). در این رابطه، مرسوم است که بگوییم فرآیندهای اهدای انرژی انتقال الکترون با فرآیندهای گیرنده انرژی سنتز ATP مرتبط است.

مهمترین نقش در تضمین جفت انرژی در غشاهای تیلاکوئید، مانند سایر اندامک های تبدیل کننده انرژی (میتوکندری، کروماتوفورهای باکتری های فتوسنتزی)، توسط فرآیندهای انتقال پروتون ایفا می شود. سنتز ATP ارتباط نزدیکی با انتقال سه پروتون از تیلاکوئیدها (3H در +) به استروما (3H خارج +) از طریق سنتاز ATP دارد:

ADP + Ф i + 3H در + → ATP + H 2 O + 3H خارج + .

این فرآیند ممکن می شود زیرا به دلیل آرایش نامتقارن حامل ها در غشاء، عملکرد ETC کلروپلاست ها منجر به تجمع مقدار اضافی پروتون در داخل تیلاکوئید می شود: یون های هیدروژن از خارج در مراحل NADP جذب می شوند. + احیا و تشکیل پلاستوکوینول و در مراحل تجزیه آب و اکسیداسیون پلاستوکوینول در داخل تیلاکوئیدها آزاد می شوند (شکل 4). روشن شدن کلروپلاست ها منجر به افزایش قابل توجه (100-1000 برابر) غلظت یون های هیدروژن در داخل تیلاکوئیدها می شود.

بنابراین، ما به زنجیره رویدادهایی که در طی آن انرژی نور خورشید به شکل انرژی ترکیبات شیمیایی پرانرژی ذخیره می شود - ATP و NADP H نگاه کرده ایم. این محصولات مرحله نور فتوسنتز در مراحل تاریک استفاده می شوند. برای تشکیل ترکیبات آلی (کربوهیدرات ها) از دی اکسید کربن و آب. مراحل اصلی تبدیل انرژی که منجر به تشکیل ATP و NADP H می شود شامل فرآیندهای زیر است: 1) جذب انرژی نور توسط رنگدانه های آنتن برداشت کننده نور. 2) انتقال انرژی تحریک به مرکز واکنش نوری. 3) اکسیداسیون مرکز واکنش نوری و تثبیت بارهای جدا شده. 4) انتقال الکترون در طول زنجیره انتقال الکترون، تشکیل NADP H. 5) انتقال غشایی یون های هیدروژن؛ 6) سنتز ATP.

1. آلبرتز بی.، بری دی.، لوئیس جی.، رابرتز کی.، واتسون جی.زیست شناسی مولکولی سلول ها T. 1. – M.: Mir, 1994. 2nd ed.
2. Kukushkin A.K.، Tikhonov A.N.سخنرانی در مورد بیوفیزیک فتوسنتز گیاهان. - M.: انتشارات دانشگاه دولتی مسکو، 1988.
3. نیکولز دی.انرژی زیستی. مقدمه‌ای بر نظریه شیمی‌اسموتیک. - م.: میر، 1364.
4. اسکولاچف V.P.انرژی غشاهای بیولوژیکی - M.: Nauka، 1989.