प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया। क्लोरोप्लास्ट में ऊर्जा रूपांतरण सूर्य के प्रकाश ऊर्जा रूपांतरण होता है

आज हम उन जीवों के बारे में बात करेंगे जो अपने जीवन में सौर ऊर्जा का उपयोग करते हैं। ऐसा करने के लिए, आपको बायोएनेरगेटिक्स जैसे विज्ञान को छूने की जरूरत है। यह जीवों द्वारा ऊर्जा रूपांतरण के तरीकों और जीवन की प्रक्रिया में इसके उपयोग का अध्ययन करता है। बायोएनेर्जी थर्मोडायनामिक्स पर आधारित है। यह विज्ञान विभिन्न प्रकार की ऊर्जा को एक दूसरे में परिवर्तित करने की क्रियाविधि का वर्णन करता है। जिसमें विभिन्न जीवों द्वारा सौर ऊर्जा का उपयोग और परिवर्तन शामिल है। ऊष्मप्रवैगिकी की मदद से हमारे आसपास होने वाली प्रक्रियाओं के ऊर्जा तंत्र का पूरी तरह से वर्णन करना संभव है। लेकिन ऊष्मप्रवैगिकी की मदद से इस या उस प्रक्रिया की प्रकृति को समझना असंभव है। इस लेख में हम जीवों द्वारा सौर ऊर्जा के उपयोग के तंत्र को समझाने की कोशिश करेंगे।

हमारे ग्रह के जीवों या अन्य वस्तुओं में ऊर्जा के परिवर्तन का वर्णन करने के लिए, किसी को थर्मोडायनामिक्स के दृष्टिकोण से उन पर विचार करना चाहिए। यानी एक ऐसी प्रणाली जो पर्यावरण और वस्तुओं के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान करती है। उन्हें निम्नलिखित प्रणालियों में विभाजित किया जा सकता है:

• बंद किया हुआ;
• पृथक;
• खुला।

इस लेख में जिन जीवों की चर्चा की गई है वे खुले तंत्र हैं। वे ओएस और आसपास की वस्तुओं के साथ ऊर्जा का निरंतर आदान-प्रदान करते हैं।पानी, हवा, भोजन के साथ, सभी प्रकार के रसायन शरीर में प्रवेश करते हैं, जो रासायनिक संरचना में इससे भिन्न होते हैं। एक बार शरीर में, वे गहराई से संसाधित होते हैं। वे परिवर्तनों की एक श्रृंखला से गुजरते हैं और शरीर की रासायनिक संरचना के समान हो जाते हैं। उसके बाद, वे अस्थायी रूप से शरीर का हिस्सा बन जाते हैं।

कुछ समय बाद ये पदार्थ टूट कर शरीर को ऊर्जा प्रदान करते हैं। उनके क्षय उत्पादों को शरीर से हटा दिया जाता है। शरीर में उनका स्थान अन्य अणुओं से भरा होता है। इस मामले में, शरीर की संरचना की अखंडता का उल्लंघन नहीं होता है। शरीर में ऊर्जा का ऐसा आत्मसात और प्रसंस्करण शरीर के नवीनीकरण को सुनिश्चित करता है। सभी जीवित जीवों के अस्तित्व के लिए ऊर्जा चयापचय आवश्यक है। जब शरीर में ऊर्जा रूपांतरण की प्रक्रिया रुक जाती है, तो वह मर जाती है।

सूर्य का प्रकाश पृथ्वी पर जैविक ऊर्जा का स्रोत है। सूर्य की परमाणु ऊर्जा उज्ज्वल ऊर्जा का उत्पादन प्रदान करती है। हमारे तारे में हाइड्रोजन परमाणु प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप ही परमाणुओं में परिवर्तित हो जाते हैं। प्रतिक्रिया के दौरान निकलने वाली ऊर्जा गामा विकिरण के रूप में निकलती है। प्रतिक्रिया स्वयं इस तरह दिखती है:

4एच? He4 + 2e + hv, जहाँ

v गामा किरणों की तरंग दैर्ध्य है;

h प्लैंक नियतांक है।

बाद में, गामा विकिरण और इलेक्ट्रॉनों की परस्पर क्रिया के बाद, ऊर्जा फोटॉन के रूप में निकलती है। यह प्रकाश ऊर्जा आकाशीय पिंड द्वारा उत्सर्जित होती है।

जब सौर ऊर्जा हमारे ग्रह की सतह पर पहुंचती है, तो इसे पौधों द्वारा कब्जा कर लिया जाता है और परिवर्तित कर दिया जाता है। इनमें सूर्य की ऊर्जा रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, जो रासायनिक बंधों के रूप में संचित रहती है।ये ऐसे बंधन हैं जो अणुओं में परमाणुओं को जोड़ते हैं। एक उदाहरण पौधों में ग्लूकोज का संश्लेषण है। इस ऊर्जा रूपांतरण का पहला चरण प्रकाश संश्लेषण है। पौधे इसे क्लोरोफिल की सहायता से प्रदान करते हैं। यह वर्णक विकिरण ऊर्जा का रासायनिक ऊर्जा में रूपांतरण सुनिश्चित करता है। एच 2 ओ और सीओ 2 से कार्बोहाइड्रेट का संश्लेषण होता है। यह पौधों की वृद्धि और अगले चरण में ऊर्जा के हस्तांतरण को सुनिश्चित करता है।

ऊर्जा हस्तांतरण का अगला चरण पौधों से जानवरों या बैक्टीरिया में होता है। इस स्तर पर, पौधों में कार्बोहाइड्रेट की ऊर्जा जैविक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। यह पौधों के अणुओं के ऑक्सीकरण की प्रक्रिया में होता है। प्राप्त ऊर्जा की मात्रा उस राशि से मेल खाती है जो संश्लेषण पर खर्च की गई थी। इस ऊर्जा में से कुछ गर्मी में परिवर्तित हो जाती है। नतीजतन, ऊर्जा एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट के मैक्रोर्जिक बॉन्ड में संग्रहीत होती है। तो सौर ऊर्जा, परिवर्तनों की एक श्रृंखला से गुजरते हुए, जीवित जीवों में एक अलग रूप में प्रकट होती है।

यहां अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न का उत्तर देने योग्य है: "कौन सा अंग सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा का उपयोग करता है?"। ये प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में शामिल क्लोरोप्लास्ट हैं। वे इसका उपयोग अकार्बनिक पदार्थों से कार्बनिक पदार्थों के संश्लेषण के लिए करते हैं।

ऊर्जा का निरंतर प्रवाह सभी जीवन का सार है। यह लगातार कोशिकाओं और जीवों के बीच चलता रहता है। सेलुलर स्तर पर, ऊर्जा रूपांतरण के लिए प्रभावी तंत्र हैं। 2 मुख्य संरचनाएं हैं जहां ऊर्जा रूपांतरण होता है:

• क्लोरोप्लास्ट;
• माइटोकॉन्ड्रिया।

मनुष्य, ग्रह पर अन्य जीवित जीवों की तरह, भोजन से अपनी ऊर्जा आपूर्ति की भरपाई करता है। इसके अलावा, पौधे की उत्पत्ति (सेब, आलू, खीरे, टमाटर) के उपभोग किए गए उत्पादों का हिस्सा, और जानवर का हिस्सा (मांस, मछली और अन्य समुद्री भोजन)। हम जिन जंतुओं को खाते हैं, वे भी अपनी ऊर्जा पौधों से प्राप्त करते हैं। इसलिए हमारे शरीर को मिलने वाली सारी ऊर्जा पौधों से परिवर्तित हो जाती है। और वे इसे सौर ऊर्जा के रूपांतरण के परिणामस्वरूप प्राप्त करते हैं।

ऊर्जा उत्पादन के प्रकार के अनुसार सभी जीवों को दो समूहों में विभाजित किया जा सकता है:

• फोटोट्रॉफ़्स। सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा खींचना;
• रसोपोषी। वे रेडॉक्स प्रतिक्रिया के दौरान ऊर्जा प्राप्त करते हैं।

यानी सौर ऊर्जा का उपयोग पौधों द्वारा किया जाता है, और जानवरों को ऊर्जा प्राप्त होती है जो पौधों को खाते समय कार्बनिक अणुओं में होती है।

जीवित जीवों में ऊर्जा कैसे परिवर्तित होती है?

जीवों द्वारा परिवर्तित ऊर्जा के 3 मुख्य प्रकार हैं:

• दीप्तिमान ऊर्जा का रूपांतरण। इस प्रकार की ऊर्जा सूर्य के प्रकाश को वहन करती है। पौधों में, दीप्तिमान ऊर्जा वर्णक क्लोरोफिल द्वारा कब्जा कर ली जाती है। प्रकाश संश्लेषण के परिणामस्वरूप, यह रासायनिक ऊर्जा में बदल जाता है। बदले में, इसका उपयोग ऑक्सीजन संश्लेषण और अन्य प्रतिक्रियाओं की प्रक्रिया में किया जाता है। सूर्य के प्रकाश में गतिज ऊर्जा होती है, और पौधों में यह स्थितिज ऊर्जा में बदल जाती है। परिणामी ऊर्जा भंडार पोषक तत्वों में संग्रहित होता है।उदाहरण के लिए, कार्बोहाइड्रेट में;
• रासायनिक ऊर्जा का रूपांतरण। कार्बोहाइड्रेट और अन्य अणुओं से, यह उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बांड की ऊर्जा में बदल जाता है। ये परिवर्तन माइटोकॉन्ड्रिया में होते हैं।
• मैक्रोर्जिक फॉस्फेट बांड का ऊर्जा रूपांतरण। यह एक जीवित जीव की कोशिकाओं द्वारा विभिन्न प्रकार के कार्य (यांत्रिक, विद्युत, आसमाटिक, आदि) करने के लिए उपभोग किया जाता है।

इन परिवर्तनों के दौरान, ऊर्जा आरक्षित का हिस्सा गर्मी के रूप में खो जाता है और नष्ट हो जाता है।

जीवों द्वारा संग्रहित ऊर्जा का उपयोग

चयापचय की प्रक्रिया में, शरीर को एक ऊर्जा भंडार प्राप्त होता है जो जैविक कार्यों पर खर्च होता है। यह हल्का, यांत्रिक, विद्युत, रासायनिक कार्य हो सकता है। और ऊर्जा का एक बहुत बड़ा हिस्सा शरीर गर्मी के रूप में खर्च करता है।

शरीर में मुख्य प्रकार की ऊर्जा का संक्षेप में वर्णन नीचे किया गया है:

• यांत्रिक। यह मैक्रोबॉडीज के आंदोलन के साथ-साथ उनके आंदोलन के यांत्रिक कार्य की विशेषता है। इसे गतिज और क्षमता में विभाजित किया जा सकता है। पहला मैक्रो-निकायों की गति की गति से निर्धारित होता है, और दूसरा - एक दूसरे के संबंध में उनके स्थान से;
• रासायनिक। यह एक अणु में परमाणुओं की परस्पर क्रिया से निर्धारित होता है। यह इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा है जो अणुओं और परमाणुओं की कक्षाओं के साथ चलती है;
• बिजली। यह आवेशित कणों की परस्पर क्रिया है, जिसके कारण वे विद्युत क्षेत्र में गति करते हैं;
• आसमाटिक। पदार्थ के अणुओं की सांद्रता की ढाल के विरुद्ध चलते समय इसका सेवन किया जाता है;
• नियामक ऊर्जा।
• थर्मल। यह परमाणुओं और अणुओं की अराजक गति से निर्धारित होता है। इस आंदोलन की मुख्य विशेषता तापमान है। इस प्रकार की ऊर्जा ऊपर सूचीबद्ध सभी में सबसे अधिक अवमूल्यन है।

एक परमाणु के तापमान और गतिज ऊर्जा के बीच संबंध को निम्न सूत्र द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

ई एच = 3/2आरटी, जहां

r बोल्ट्जमान स्थिरांक (1.380*10 -16 erg/deg) है।

पोषक तत्वों से ऊर्जा कैसे मुक्त होती है?

पोषक तत्वों से ऊर्जा निकालने की प्रक्रिया में 3 सशर्त चरण होते हैं;

• तैयारी। खाद्य कोशिकाओं में बायोपॉलिमर को मोनोमर में बदलने के लिए यह कदम आवश्यक है। ऊर्जा निकालने के लिए यह रूप सर्वोत्तम है। यह प्रक्रिया (हाइड्रोलिसिस) आंत में या अंदर होती है। हाइड्रोलिसिस लाइसोसोम और साइटोप्लाज्मिक एंजाइम की भागीदारी के साथ होता है। इस अवस्था का ऊर्जा मान शून्य होता है। इस स्तर पर, सब्सट्रेट के ऊर्जा मूल्य का 1 प्रतिशत जारी किया जाता है, और यह सब गर्मी के रूप में खो जाता है;
• दूसरे चरण में, मध्यवर्ती उत्पादों के निर्माण के साथ मोनोमर्स आंशिक रूप से विघटित हो जाते हैं। क्रेब्स चक्र अम्ल और एसिटाइल-सीओए बनते हैं। इस स्तर पर प्रारंभिक सब्सट्रेट की संख्या तीन तक कम हो जाती है और सब्सट्रेट के ऊर्जा आरक्षित का 20 प्रतिशत तक जारी किया जाता है। प्रक्रिया अवायवीय है, अर्थात बिना ऑक्सीजन के। ऊर्जा का एक हिस्सा एटीपी के फॉस्फेट बांड में जमा होता है, और शेष गर्मी के रूप में खर्च किया जाता है। मोनोमर्स का विघटन हाइलोप्लाज्म में होता है, और बाकी प्रक्रियाएं माइटोकॉन्ड्रिया में होती हैं;
• अंतिम चरण में, मोनोमर्स ऑक्सीजन से जुड़ी प्रतिक्रिया में एच 2 ओ और सीओ 2 में विघटित हो जाते हैं। जैविक ऑक्सीकरण ऊर्जा भंडार की पूर्ण रिहाई के साथ होता है। पिछले चरण में मौजूद 3 तीन मेटाबोलाइट्स में से केवल एच 2 ही रहता है। यह श्वसन श्रृंखला में सार्वभौमिक ईंधन है। इस स्तर पर, शेष 80 प्रतिशत ऊर्जा आरक्षित जारी की जाती है। कुछ ऊर्जा ऊष्मा के रूप में निकलती है, जबकि शेष फॉस्फेट बांड में संग्रहित होती है। इस चरण की सभी प्रतिक्रियाएं माइटोकॉन्ड्रिया में होती हैं।

जीवित कोशिकाओं में ऊर्जा की रिहाई धीरे-धीरे होती है।अलगाव के सभी चरणों में, यह पदार्थ की कोशिकाओं के लिए सुविधाजनक रासायनिक रूप में जमा हो सकता है। सेल की ऊर्जा संरचना में 3 अलग-अलग कार्यात्मक ब्लॉक शामिल हैं जिनमें विभिन्न प्रक्रियाएं होती हैं:

• आई-प्रक्रियाएं (ऑक्सीकरण सब्सट्रेट का गठन जो कोशिकाओं में ऑक्सीडेटिव एंजाइम के अनुरूप होता है);
• ब्लॉक एसएच 2 (ऑक्सीकरण सब्सट्रेट);
• हाइड्रोजन की एच पीढ़ी को संसाधित करता है। आउटपुट केएच 2 (कोएंजाइम के साथ हाइड्रोजन) है।

ये जटिल बहु-चरण प्रक्रियाएं हैं जो पौधों और जीवित जीवों में सौर ऊर्जा के रूपांतरण के दौरान होती हैं।
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में प्रकाशित

प्रकाश संश्लेषण के अध्ययन का इतिहास अगस्त 1771 का है, जब अंग्रेजी धर्मशास्त्री, दार्शनिक और शौकिया प्रकृतिवादी जोसेफ प्रीस्टली (1733-1804) ने पाया कि पौधे हवा के गुणों को "सही" कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप इसकी संरचना बदल जाती है दहन या जानवरों का जीवन। प्रीस्टले ने दिखाया कि पौधों की उपस्थिति में, "खराब" हवा फिर से जानवरों के जीवन को जलाने और समर्थन के लिए उपयुक्त हो जाती है।

इंजेनहॉस, सेनेबियर, सॉसर, बुसेंगो और अन्य वैज्ञानिकों द्वारा आगे के अध्ययन के दौरान, यह पाया गया कि पौधे, जब रोशन होते हैं, ऑक्सीजन छोड़ते हैं और हवा से कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करते हैं। पौधे कार्बन डाइऑक्साइड और पानी से कार्बनिक पदार्थों का संश्लेषण करते हैं। इस प्रक्रिया को प्रकाश संश्लेषण कहा जाता था।

रॉबर्ट मेयर, जिन्होंने ऊर्जा संरक्षण के नियम की खोज की, ने 1845 में सुझाव दिया कि पौधे सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा को प्रकाश संश्लेषण के दौरान बनने वाले रासायनिक यौगिकों की ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। उनके अनुसार, "अंतरिक्ष में फैलने वाली सूर्य की किरणों को "कैप्चर" किया जाता है और आवश्यकतानुसार आगे उपयोग के लिए संग्रहीत किया जाता है। इसके बाद, रूसी वैज्ञानिक के.ए. तिमिरयाज़ेव ने दृढ़ता से साबित कर दिया कि पौधों द्वारा सौर ऊर्जा के उपयोग में सबसे महत्वपूर्ण भूमिका हरी पत्तियों में मौजूद क्लोरोफिल अणुओं द्वारा निभाई जाती है।

प्रकाश संश्लेषण के दौरान बनने वाले कार्बोहाइड्रेट (शर्करा) का उपयोग पौधों और जानवरों में विभिन्न कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण के लिए ऊर्जा स्रोत और निर्माण सामग्री के रूप में किया जाता है। उच्च पौधों में, प्रकाश संश्लेषण प्रक्रियाएं क्लोरोप्लास्ट में होती हैं - एक पौधे कोशिका के विशेष ऊर्जा-परिवर्तित अंग।

क्लोरोप्लास्ट का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व अंजीर में दिखाया गया है। एक।

क्लोरोप्लास्ट के दोहरे खोल के नीचे, बाहरी और आंतरिक झिल्लियों से मिलकर, विस्तारित झिल्ली संरचनाएं होती हैं जो थायलाकोइड्स नामक बंद पुटिकाओं का निर्माण करती हैं। थायलाकोइड झिल्ली में लिपिड अणुओं की दो परतें होती हैं, जिसमें मैक्रोमोलेक्यूलर प्रकाश संश्लेषक प्रोटीन कॉम्प्लेक्स शामिल होते हैं। उच्च पौधों के क्लोरोप्लास्ट में, थायलाकोइड्स को ग्रेना में समूहीकृत किया जाता है, जो डिस्क के आकार के ढेर होते हैं, चपटे होते हैं और एक दूसरे के थायलाकोइड्स से बारीकी से दबाए जाते हैं। उनसे निकलने वाले इंटरग्रेनल थायलाकोइड्स ग्रेना के अलग-अलग थायलाकोइड्स की निरंतरता हैं। क्लोरोप्लास्ट झिल्ली और थायलाकोइड्स के बीच के स्थान को स्ट्रोमा कहा जाता है। स्ट्रोमा में आरएनए, डीएनए, क्लोरोप्लास्ट अणु, राइबोसोम, स्टार्च अनाज और कई एंजाइम होते हैं, जिनमें वे भी शामिल हैं जो पौधों द्वारा CO2 के अवशोषण को सुनिश्चित करते हैं।

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प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश और अंधेरे चरण

आधुनिक अवधारणाओं के अनुसार, प्रकाश संश्लेषण प्रकाश-भौतिक और जैव रासायनिक प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला है, जिसके परिणामस्वरूप पौधे सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा का उपयोग करके कार्बोहाइड्रेट (शर्करा) का संश्लेषण करते हैं। प्रकाश संश्लेषण के कई चरणों को आमतौर पर प्रक्रियाओं के दो बड़े समूहों में विभाजित किया जाता है - प्रकाश और अंधेरे चरण।

प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरणों को प्रक्रियाओं का एक सेट कहने के लिए प्रथागत है, जिसके परिणामस्वरूप, प्रकाश की ऊर्जा के कारण, एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (एटीपी) के अणुओं को संश्लेषित किया जाता है और निकोटिनमाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड फॉस्फेट (एनएडीपीएच) को कम किया जाता है, ए उच्च कमी क्षमता के साथ यौगिक। एटीपी अणु कोशिका में ऊर्जा के सार्वभौमिक स्रोत के रूप में कार्य करते हैं। एटीपी अणु के उच्च-ऊर्जा (यानी, ऊर्जा-समृद्ध) फॉस्फेट बांड की ऊर्जा को अधिकांश ऊर्जा-खपत जैव रासायनिक प्रक्रियाओं में उपयोग करने के लिए जाना जाता है।

प्रकाश संश्लेषण की प्रकाश प्रक्रियाएं थायलाकोइड्स में आगे बढ़ती हैं, जिनमें से झिल्लियों में पौधों के प्रकाश संश्लेषक तंत्र के मुख्य घटक होते हैं - प्रकाश-कटाई वर्णक-प्रोटीन और इलेक्ट्रॉन परिवहन परिसर, साथ ही एटीपी-संश्लेषण परिसर, जो एटीपी के गठन को उत्प्रेरित करता है। एडेनोसिन डाइफॉस्फेट (एडीपी) और अकार्बनिक फॉस्फेट (एफ i) (एडीपी + एफ i → एटीपी + एच 2 ओ) से। इस प्रकार, प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरणों के परिणामस्वरूप, पौधों द्वारा अवशोषित प्रकाश की ऊर्जा एटीपी अणुओं के मैक्रोर्जिक रासायनिक बंधनों और मजबूत कम करने वाले एजेंट एनएडीपी एच के रूप में संग्रहीत होती है, जो तथाकथित में कार्बोहाइड्रेट को संश्लेषित करने के लिए उपयोग की जाती है। प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरण।

प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरणों को आमतौर पर जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं के एक सेट के रूप में संदर्भित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ 2) पौधों द्वारा आत्मसात किया जाता है और कार्बोहाइड्रेट बनते हैं। सीओ 2 और पानी से कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण के लिए अग्रणी अंधेरे जैव रासायनिक परिवर्तनों के चक्र को इन प्रक्रियाओं के अध्ययन में निर्णायक योगदान देने वाले लेखकों के नाम पर केल्विन-बेन्सन चक्र कहा जाता है। इलेक्ट्रॉन परिवहन और एटीपी सिंथेज़ परिसरों के विपरीत, जो थायलाकोइड झिल्ली में स्थित होते हैं, एंजाइम जो प्रकाश संश्लेषण की "अंधेरे" प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं, स्ट्रोमा में भंग हो जाते हैं। जब क्लोरोप्लास्ट झिल्ली नष्ट हो जाती है, तो ये एंजाइम स्ट्रोमा से धुल जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप क्लोरोप्लास्ट कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करने की अपनी क्षमता खो देते हैं।

केल्विन-बेन्सन चक्र में कई कार्बनिक यौगिकों के परिवर्तन के परिणामस्वरूप, ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट का एक अणु क्लोरोप्लास्ट में तीन CO2 अणुओं और पानी से बनता है, जिसका रासायनिक सूत्र CHO-CHOH-CH 2 O है। -पीओ 3 2-। इसी समय, ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट में शामिल एक सीओ 2 अणु में तीन एटीपी अणु और दो एनएडीपी एच अणु खपत होते हैं।

केल्विन-बेन्सन चक्र में कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण के लिए, एटीपी अणुओं (प्रतिक्रिया एटीपी + एच 2 ओ → एडीपी + एफ i) के मैक्रोर्जिक फॉस्फेट बांड के हाइड्रोलिसिस के दौरान जारी ऊर्जा और एनएडीपी एच अणुओं की मजबूत कमी क्षमता का उपयोग किया जाता है। क्लोरोप्लास्ट ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट में बनने वाले अणुओं का मुख्य भाग पादप कोशिका के साइटोसोल में प्रवेश करता है, जहाँ यह फ्रुक्टोज-6-फॉस्फेट और ग्लूकोज-6-फॉस्फेट में परिवर्तित हो जाता है, जो आगे के परिवर्तनों के दौरान, सुक्रोज का अग्रदूत सैकरोफॉस्फेट बनाता है। क्लोरोप्लास्ट में बचे ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट के अणुओं से स्टार्च का संश्लेषण होता है।

प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया केंद्रों में ऊर्जा रूपांतरण

पौधों, शैवाल और प्रकाश संश्लेषक जीवाणुओं के प्रकाश संश्लेषक ऊर्जा-परिवर्तित परिसरों का अच्छी तरह से अध्ययन किया गया है। ऊर्जा-रूपांतरण प्रोटीन परिसरों की रासायनिक संरचना और स्थानिक संरचना स्थापित की गई है, और ऊर्जा परिवर्तन प्रक्रियाओं के अनुक्रम को स्पष्ट किया गया है। प्रकाश संश्लेषक तंत्र की संरचना और आणविक संरचना में अंतर के बावजूद, सभी प्रकाश संश्लेषक जीवों के फोटोरिएक्शन केंद्रों में ऊर्जा रूपांतरण की प्रक्रियाओं में सामान्य पैटर्न हैं। पौधे और जीवाणु उत्पत्ति दोनों की प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों में, प्रकाश संश्लेषक तंत्र की एक एकल संरचनात्मक और कार्यात्मक कड़ी है फोटोसिस्टम, जिसमें एक प्रकाश-संचयन एंटीना, एक प्रकाश-रासायनिक प्रतिक्रिया केंद्र और इससे जुड़े अणु शामिल हैं - इलेक्ट्रॉन वाहक।

आइए हम पहले सूर्य के प्रकाश ऊर्जा के रूपांतरण के सामान्य सिद्धांतों पर विचार करें, जो सभी प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों की विशेषता है, और फिर हम उच्च पौधों में फोटोरिएक्शन केंद्रों और क्लोरोप्लास्ट की इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के कामकाज के उदाहरण पर अधिक विस्तार से ध्यान देंगे।

प्रकाश-कटाई एंटीना (प्रकाश अवशोषण, प्रतिक्रिया केंद्र में ऊर्जा प्रवासन)

प्रकाश संश्लेषण का पहला प्राथमिक कार्य क्लोरोफिल अणुओं या सहायक वर्णक द्वारा प्रकाश का अवशोषण है जो एक विशेष वर्णक-प्रोटीन परिसर का हिस्सा हैं जिसे प्रकाश-कटाई एंटीना कहा जाता है। एक प्रकाश-कटाई एंटीना एक मैक्रोमोलेक्यूलर कॉम्प्लेक्स है जिसे कुशलतापूर्वक प्रकाश को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। क्लोरोप्लास्ट में, ऐन्टेना परिसर में क्लोरोफिल अणुओं की एक बड़ी संख्या (कई सैकड़ों तक) होती है और एक निश्चित मात्रा में सहायक वर्णक (कैरोटीनॉयड) प्रोटीन से दृढ़ता से जुड़े होते हैं।

तेज धूप में, एक एकल क्लोरोफिल अणु अपेक्षाकृत दुर्लभ रूप से प्रकाश क्वांटा को अवशोषित करता है, औसतन प्रति सेकंड 10 बार से अधिक नहीं। हालांकि, चूंकि एक फोटोरिएक्शन केंद्र में बड़ी संख्या में क्लोरोफिल अणु (200-400) होते हैं, यहां तक ​​​​कि छायांकन की स्थिति में एक पत्ती पर गिरने वाले प्रकाश की अपेक्षाकृत कम तीव्रता पर भी, प्रतिक्रिया केंद्र काफी बार सक्रिय होता है। प्रकाश-अवशोषित पिगमेंट का पहनावा, वास्तव में, एक एंटीना की भूमिका निभाता है, जो अपने बड़े आकार के कारण, प्रभावी रूप से सूर्य के प्रकाश को पकड़ता है और अपनी ऊर्जा को प्रतिक्रिया केंद्र में निर्देशित करता है। उच्च प्रकाश स्थितियों में उगने वाले पौधों की तुलना में छाया-प्रेमी पौधों में बड़े प्रकाश-कटाई वाले एंटीना होते हैं।

क्लोरोफिल अणु पौधों में मुख्य प्रकाश-संचयन वर्णक हैं। एऔर क्लोरोफिल बीतरंग दैर्ध्य के साथ दृश्य प्रकाश को अवशोषित करना 700-730 एनएम। पृथक क्लोरोफिल अणु केवल सौर स्पेक्ट्रम के दो अपेक्षाकृत संकीर्ण बैंड में प्रकाश को अवशोषित करते हैं: 660-680 एनएम (लाल रोशनी) और 430-450 एनएम (नीली-बैंगनी रोशनी) की तरंग दैर्ध्य पर, जो निश्चित रूप से उपयोग करने की दक्षता को सीमित करता है हरे पत्ते पर आपतित सूर्य के प्रकाश का संपूर्ण स्पेक्ट्रम।

हालांकि, प्रकाश-कटाई एंटीना द्वारा अवशोषित प्रकाश की वर्णक्रमीय संरचना वास्तव में बहुत व्यापक है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि क्लोरोफिल के एकत्रित रूपों का अवशोषण स्पेक्ट्रम, जो प्रकाश-कटाई एंटीना का हिस्सा है, लंबी तरंग दैर्ध्य की ओर स्थानांतरित हो जाता है। क्लोरोफिल के साथ, प्रकाश-संचयन एंटीना में सहायक वर्णक शामिल होते हैं जो इस तथ्य के कारण इसकी दक्षता में वृद्धि करते हैं कि वे उन वर्णक्रमीय क्षेत्रों में प्रकाश को अवशोषित करते हैं जिनमें क्लोरोफिल अणु, प्रकाश-कटाई एंटीना के मुख्य वर्णक, अपेक्षाकृत कमजोर रूप से प्रकाश को अवशोषित करते हैं।

पौधों में, सहायक वर्णक कैरोटीनॉयड होते हैं जो तरंग दैर्ध्य रेंज λ 450-480 एनएम में प्रकाश को अवशोषित करते हैं; प्रकाश संश्लेषक शैवाल की कोशिकाओं में, ये लाल और नीले रंग के वर्णक होते हैं: लाल शैवाल में फ़ाइकोएरिथ्रिन (λ 495–565 एनएम) और नीले-हरे शैवाल में फ़ाइकोसायनिन (λ 550–615 एनएम)।

क्लोरोफिल (Chl) अणु या एक सहायक वर्णक द्वारा प्रकाश की मात्रा का अवशोषण इसकी उत्तेजना की ओर जाता है (इलेक्ट्रॉन एक उच्च ऊर्जा स्तर पर जाता है):

Chl + hν → Chl*।

उत्तेजित क्लोरोफिल अणु Chl* की ऊर्जा पड़ोसी वर्णक के अणुओं में स्थानांतरित हो जाती है, जो बदले में, इसे प्रकाश-संचयन एंटीना के अन्य अणुओं में स्थानांतरित कर सकती है:

Chl* + Chl → Chl + Chl*।

उत्तेजना ऊर्जा इस प्रकार वर्णक मैट्रिक्स के माध्यम से माइग्रेट कर सकती है जब तक कि उत्तेजना अंततः फोटोरिएक्शन सेंटर पी तक नहीं पहुंच जाती (इस प्रक्रिया का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व चित्र 2 में दिखाया गया है):

Chl* + P → Chl + P*।

ध्यान दें कि उत्तेजित अवस्था में क्लोरोफिल अणुओं और अन्य वर्णकों के अस्तित्व की अवधि बहुत कम होती है, 10–10–10–9 s। इसलिए, एक निश्चित संभावना है कि प्रतिक्रिया केंद्र पी के रास्ते में, वर्णक की ऐसी अल्पकालिक उत्तेजित अवस्थाओं की ऊर्जा बेकार हो सकती है - गर्मी में नष्ट हो जाती है या एक प्रकाश क्वांटम (प्रतिदीप्ति घटना) के रूप में जारी होती है। वास्तव में, हालांकि, प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया केंद्र में ऊर्जा प्रवासन की दक्षता बहुत अधिक है। मामले में जब प्रतिक्रिया केंद्र सक्रिय अवस्था में होता है, तो ऊर्जा हानि की संभावना, एक नियम के रूप में, 10-15% से अधिक नहीं होती है। सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा का उपयोग करने की इतनी उच्च दक्षता इस तथ्य के कारण है कि प्रकाश-संचयन एंटीना एक उच्च क्रम वाली संरचना है जो एक दूसरे के साथ पिगमेंट की बहुत अच्छी बातचीत सुनिश्चित करती है। इसके कारण, प्रकाश को अवशोषित करने वाले अणुओं से फोटोरिएक्शन केंद्र में उत्तेजना ऊर्जा के हस्तांतरण की एक उच्च दर हासिल की जाती है। एक रंगद्रव्य से दूसरे रंग में उत्तेजना ऊर्जा के "कूद" का औसत समय, एक नियम के रूप में, 10–12–10–11 एस है। प्रतिक्रिया केंद्र में उत्तेजना प्रवास का कुल समय आमतौर पर 10-10-10-9 सेकेंड से अधिक नहीं होता है।

फोटोकैमिकल रिएक्शन सेंटर (इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर, अलग-अलग चार्ज का स्थिरीकरण)

प्रतिक्रिया केंद्र की संरचना और प्रकाश संश्लेषण के प्राथमिक चरणों के तंत्र के बारे में आधुनिक विचार ए.ए. के कार्यों से पहले थे। क्रास्नोव्स्की, जिन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉन दाताओं और स्वीकर्ता की उपस्थिति में, प्रकाश द्वारा उत्तेजित क्लोरोफिल अणुओं को विपरीत रूप से कम किया जा सकता है (एक इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करें) और ऑक्सीकृत (एक इलेक्ट्रॉन दान करें)। इसके बाद, पौधों, शैवाल और प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया में, कोक, विट और ड्यूजेन्स ने क्लोरोफिल प्रकृति के विशेष वर्णक की खोज की, जिन्हें प्रतिक्रिया केंद्र कहा जाता है, जो प्रकाश की क्रिया के तहत ऑक्सीकृत होते हैं और वास्तव में, प्रकाश संश्लेषण के दौरान प्राथमिक इलेक्ट्रॉन दाता होते हैं।

फोटोकैमिकल रिएक्शन सेंटर पी क्लोरोफिल अणुओं की एक विशेष जोड़ी (डिमर) है जो प्रकाश-कटाई एंटीना (छवि 2) के वर्णक मैट्रिक्स के माध्यम से घूमने वाली उत्तेजना ऊर्जा के लिए जाल के रूप में कार्य करता है। जिस तरह एक विस्तृत फ़नल की दीवारों से उसकी संकीर्ण गर्दन तक एक तरल बहता है, प्रकाश-संचयन एंटीना के सभी वर्णक द्वारा अवशोषित प्रकाश की ऊर्जा प्रतिक्रिया केंद्र की ओर निर्देशित होती है। प्रतिक्रिया केंद्र की उत्तेजना प्रकाश संश्लेषण के दौरान प्रकाश ऊर्जा के आगे के परिवर्तनों की एक श्रृंखला शुरू करती है।

प्रतिक्रिया केंद्र पी के उत्तेजना के बाद होने वाली प्रक्रियाओं का क्रम, और फोटोसिस्टम की ऊर्जा में संबंधित परिवर्तनों के आरेख को अंजीर में दिखाया गया है। 3.

क्लोरोफिल पी डिमर के साथ, प्रकाश संश्लेषक परिसर में प्राथमिक और माध्यमिक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के अणु शामिल हैं, जिन्हें हम पारंपरिक रूप से प्रतीकों ए और बी के साथ-साथ प्राथमिक इलेक्ट्रॉन दाता, अणु डी द्वारा निरूपित करेंगे। उत्तेजित प्रतिक्रिया केंद्र पी * में कम है इलेक्ट्रॉन आत्मीयता और इसलिए यह आसानी से अपने आसन्न प्राथमिक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता ए को देता है:

डी (पी * ए) बी → डी (पी + ए -) बी।

इस प्रकार, P* से A में बहुत तेज़ (t 10-12 s) इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के परिणामस्वरूप, प्रकाश संश्लेषण के दौरान सौर ऊर्जा के रूपांतरण में दूसरा मौलिक रूप से महत्वपूर्ण चरण प्राप्त होता है - प्रतिक्रिया केंद्र में चार्ज पृथक्करण। इस मामले में, एक मजबूत कम करने वाला एजेंट ए - (इलेक्ट्रॉन दाता) और एक मजबूत ऑक्सीकरण एजेंट पी + (इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता) बनता है।

अणु P + और A - झिल्ली में विषम रूप से स्थित होते हैं: क्लोरोप्लास्ट में, प्रतिक्रिया केंद्र P + थायलाकोइड के अंदर स्थित झिल्ली की सतह के करीब होता है, और स्वीकर्ता A - बाहर के करीब स्थित होता है। इसलिए, प्रकाश प्रेरित आवेश पृथक्करण के परिणामस्वरूप, झिल्ली पर विद्युत क्षमता में अंतर उत्पन्न होता है। प्रतिक्रिया केंद्र में आवेशों का प्रकाश-प्रेरित पृथक्करण एक पारंपरिक फोटोकेल में विद्युत संभावित अंतर की पीढ़ी के समान है। हालांकि, इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि, ज्ञात और प्रौद्योगिकी में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले ऊर्जा के सभी फोटो कन्वर्टर्स के विपरीत, प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया केंद्रों के संचालन की दक्षता बहुत अधिक है। सक्रिय प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया केंद्रों में चार्ज पृथक्करण की दक्षता, एक नियम के रूप में, 90-95% से अधिक है (फोटोकल्स के सर्वोत्तम नमूनों के लिए, दक्षता 30% से अधिक नहीं है)।

कौन से तंत्र प्रतिक्रिया केंद्रों में ऊर्जा रूपांतरण की इतनी उच्च दक्षता सुनिश्चित करते हैं? इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता को स्थानांतरित क्यों नहीं करता है A धनात्मक रूप से आवेशित ऑक्सीकृत केंद्र P + पर वापस लौटता है? पृथक्कृत आवेशों का स्थिरीकरण मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन के P* से A में स्थानांतरण के बाद इलेक्ट्रॉन परिवहन की द्वितीयक प्रक्रियाओं के कारण प्रदान किया जाता है। कम प्राथमिक स्वीकर्ता A से, एक इलेक्ट्रॉन बहुत जल्दी (10-10–10–9 s में) ) द्वितीयक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता B को जाता है:

डी (पी + ए -) बी → डी (पी + ए) बी -।

इस मामले में, न केवल सकारात्मक रूप से चार्ज प्रतिक्रिया केंद्र P + से एक इलेक्ट्रॉन का निष्कासन होता है, बल्कि पूरे सिस्टम की ऊर्जा भी काफी कम हो जाती है (चित्र 3)। इसका मतलब यह है कि एक इलेक्ट्रॉन को विपरीत दिशा में स्थानांतरित करने के लिए (संक्रमण बी - → ए), इसे पर्याप्त रूप से उच्च ऊर्जा अवरोध ΔE 0.3–0.4 eV को पार करने की आवश्यकता होगी, जहां E दो राज्यों के लिए ऊर्जा स्तर का अंतर है। वह प्रणाली जिसमें इलेक्ट्रॉन क्रमशः वाहक A या B पर होता है। इस कारण से, इलेक्ट्रॉन को कम अणु B से ऑक्सीकृत अणु A में वापस करने के लिए, प्रत्यक्ष संक्रमण A की तुलना में अधिक समय लगेगा - → बी। दूसरे शब्दों में, आगे की दिशा में, इलेक्ट्रॉन दूसरी तरफ की तुलना में बहुत तेजी से स्थानांतरित होता है। इसलिए, एक इलेक्ट्रॉन को द्वितीयक स्वीकर्ता बी में स्थानांतरित करने के बाद, इसके वापस लौटने की संभावना और सकारात्मक रूप से चार्ज "छेद" पी + के साथ पुनर्संयोजन की संभावना काफी कम हो जाती है।

अलग-अलग आवेशों के स्थिरीकरण में योगदान देने वाला दूसरा कारक इलेक्ट्रान दाता D से P + में आने वाले इलेक्ट्रॉन के कारण ऑक्सीकृत फोटोरिएक्शन केंद्र P + का तेजी से बेअसर होना है:

डी (पी + ए) बी - → डी + (पीए) बी -।

दाता अणु डी से एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करने और अपनी मूल कम अवस्था पी में वापस आने के बाद, प्रतिक्रिया केंद्र अब कम किए गए स्वीकारकर्ताओं से एक इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करने में सक्षम नहीं होगा, लेकिन अब यह फिर से ट्रिगर करने के लिए तैयार है - एक इलेक्ट्रॉन दान करें ऑक्सीकृत प्राथमिक स्वीकर्ता ए इसके बगल में स्थित है। यह सभी प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों के फोटोरिएक्शन केंद्रों में होने वाली घटनाओं का क्रम है।

क्लोरोप्लास्ट इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला

उच्च पौधों के क्लोरोप्लास्ट में, दो फोटोसिस्टम होते हैं: फोटोसिस्टम 1 (PS1) और फोटोसिस्टम 2 (PS2), जो प्रोटीन, पिगमेंट और ऑप्टिकल गुणों की संरचना में भिन्न होते हैं। प्रकाश-संचयन एंटीना PS1 700–730 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश को अवशोषित करता है, और PS2 λ 680-700 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश को अवशोषित करता है। PS1 और PS2 प्रतिक्रिया केंद्रों का प्रकाश-प्रेरित ऑक्सीकरण उनके मलिनकिरण के साथ होता है, जो 700 और 680 एनएम पर उनके अवशोषण स्पेक्ट्रा में परिवर्तन की विशेषता है। उनकी ऑप्टिकल विशेषताओं के अनुसार, PS1 और PS2 प्रतिक्रिया केंद्रों को P 700 और P 680 नाम दिया गया था।

दो फोटोसिस्टम इलेक्ट्रॉन वाहकों की एक श्रृंखला के माध्यम से परस्पर जुड़े हुए हैं (चित्र 4)। PS2 PS1 के लिए इलेक्ट्रॉनों का स्रोत है। पी 700 और पी 680 फोटोरिएक्शन केंद्रों में प्रकाश-आरंभिक चार्ज पृथक्करण, पीएस 2 में विघटित पानी से अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता, एनएडीपी + अणु में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण सुनिश्चित करता है। दो फोटो सिस्टम को जोड़ने वाली इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला (ईटीसी) में प्लास्टोक्विनोन अणु, एक अलग इलेक्ट्रॉन परिवहन प्रोटीन कॉम्प्लेक्स (तथाकथित बी/एफ कॉम्प्लेक्स), और पानी में घुलनशील प्रोटीन प्लास्टोसायनिन (पीसी) इलेक्ट्रॉन वाहक के रूप में शामिल हैं। थायलाकोइड झिल्ली में इलेक्ट्रॉन परिवहन परिसरों की पारस्परिक व्यवस्था और पानी से एनएडीपी + में इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के मार्ग को दर्शाने वाला एक चित्र अंजीर में दिखाया गया है। 4.

PS2 में, एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित केंद्र P * 680 से पहले प्राथमिक स्वीकर्ता feofetin (Phe) में स्थानांतरित किया जाता है, और फिर प्लास्टोक्विनोन अणु QA में स्थानांतरित किया जाता है, जो दृढ़ता से PS2 प्रोटीन में से एक से बंधा होता है,

वाई (पी * 680 पीएचई) क्यू ए क्यू बी → वाई (पी + 680 फे -) क्यू ए क्यू बी → वाई (पी + 680 फे) क्यू ए - क्यू बी।

फिर इलेक्ट्रॉन को दूसरे प्लास्टोक्विनोन अणु Q B में स्थानांतरित किया जाता है, और P 680 प्राथमिक इलेक्ट्रॉन दाता Y से एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है:

वाई (पी + 680 पीएचई) क्यू ए - क्यू बी → वाई + (पी 680 फे) क्यू ए क्यू बी -।

प्लास्टोक्विनोन अणु, जिसका रासायनिक सूत्र और लिपिड बिलीयर झिल्ली में स्थान अंजीर में दिखाया गया है। 5 दो इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करने में सक्षम है। PS2 प्रतिक्रिया केंद्र दो बार चालू होने के बाद, प्लास्टोक्विनोन Q B अणु को दो इलेक्ट्रॉन प्राप्त होंगे:

क्यू बी + 2е - → क्यू बी 2-।

ऋणात्मक रूप से आवेशित Q B 2-अणु में हाइड्रोजन आयनों के लिए एक उच्च आत्मीयता होती है, जिसे यह स्ट्रोमल स्पेस से पकड़ लेता है। घटे हुए प्लास्टोक्विनोन Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) के प्रोटोनेशन के बाद, इस QH 2 अणु का एक विद्युत रूप से तटस्थ रूप बनता है, जिसे प्लास्टोक्विनोल (चित्र 5) कहा जाता है। प्लास्टोक्विनोल दो इलेक्ट्रॉनों और दो प्रोटॉन के एक मोबाइल वाहक की भूमिका निभाता है: पीएस 2 छोड़ने के बाद, क्यूएच 2 अणु आसानी से थायलाकोइड झिल्ली के अंदर जा सकता है, पीएस 2 और अन्य इलेक्ट्रॉन परिवहन परिसरों के बीच एक लिंक प्रदान करता है।

ऑक्सीकृत प्रतिक्रिया केंद्र PS2 P 680 में असाधारण रूप से उच्च इलेक्ट्रॉन आत्मीयता है; एक बहुत मजबूत ऑक्सीकरण एजेंट है। इसके कारण, पानी, एक रासायनिक रूप से स्थिर यौगिक, PS2 में विघटित हो जाता है। PS2 में शामिल वाटर स्प्लिटिंग कॉम्प्लेक्स (WRC) में इसके सक्रिय केंद्र में मैंगनीज आयनों (Mn 2+) का एक समूह होता है, जो P 680 के लिए इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में काम करता है। ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया केंद्र में इलेक्ट्रॉनों का दान करते हुए, मैंगनीज आयन सकारात्मक चार्ज के "संचयक" बन जाते हैं, जो सीधे जल ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया में शामिल होते हैं। पी 680 प्रतिक्रिया केंद्र के लगातार चार गुना सक्रियण के परिणामस्वरूप, चार मजबूत ऑक्सीकरण समकक्ष (या चार "छेद") ऑक्सीकृत मैंगनीज आयनों (एमएन 4+) के रूप में डब्ल्यूआरसी के एमएन युक्त सक्रिय केंद्र में जमा होते हैं। , जो, दो पानी के अणुओं के साथ बातचीत करते हुए, अपघटन प्रतिक्रिया पानी को उत्प्रेरित करता है:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2।

इस प्रकार, WRC से P 680 में चार इलेक्ट्रॉनों के क्रमिक स्थानांतरण के बाद, दो पानी के अणुओं का एक समकालिक अपघटन एक बार में होता है, साथ में एक ऑक्सीजन अणु और चार हाइड्रोजन आयन निकलते हैं, जो क्लोरोप्लास्ट के इंट्राथिलकॉइड स्पेस में प्रवेश करते हैं।

PS2 के कामकाज के दौरान बनने वाला प्लास्टोक्विनॉल QH2 अणु थायलाकोइड झिल्ली के लिपिड बाइलेयर में b/f कॉम्प्लेक्स (अंजीर। 4 और 5) में फैलता है। बी/एफ कॉम्प्लेक्स के साथ टकराव पर, क्यूएच 2 अणु इसे बांधता है और फिर इसमें दो इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करता है। इस मामले में, बी/एफ कॉम्प्लेक्स द्वारा ऑक्सीकृत प्रत्येक प्लास्टोक्विनॉल अणु के लिए, थायलाकोइड के अंदर दो हाइड्रोजन आयन निकलते हैं। बदले में, बी/एफ कॉम्प्लेक्स प्लास्टोसायनिन (पीसी) के लिए एक इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में कार्य करता है, एक अपेक्षाकृत छोटा पानी में घुलनशील प्रोटीन जिसके सक्रिय केंद्र में एक कॉपर आयन शामिल होता है (प्लास्टोसायनिन की कमी और ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाएं तांबे की वैलेंस में परिवर्तन के साथ होती हैं। आयन Cu 2+ + e - Cu+)। प्लास्टोसायनिन b/f कॉम्प्लेक्स और PS1 के बीच एक कड़ी के रूप में कार्य करता है। प्लास्टोसायनिन अणु थायलाकोइड के भीतर तेजी से चलता है, जिससे बी/एफ कॉम्प्लेक्स से पीएस1 में इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण होता है। अपचित प्लास्टोसायनिन से, इलेक्ट्रॉन सीधे PS1 - P 700 + के ऑक्सीकृत प्रतिक्रिया केंद्रों में जाता है (चित्र 4 देखें)। इस प्रकार, PS1 और PS2 की संयुक्त क्रिया के परिणामस्वरूप, PS2 में विघटित पानी के अणु से दो इलेक्ट्रॉनों को अंततः इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के माध्यम से NADP + अणु में स्थानांतरित कर दिया जाता है, जिससे एक मजबूत कम करने वाले एजेंट NADP H का निर्माण होता है।

क्लोरोप्लास्ट को दो प्रकाश प्रणालियों की आवश्यकता क्यों होती है? यह ज्ञात है कि प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया, जो विभिन्न कार्बनिक और अकार्बनिक यौगिकों (उदाहरण के लिए, एच 2 एस) का उपयोग एक इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया केंद्रों को कम करने के लिए करते हैं, सफलतापूर्वक एक फोटोसिस्टम के साथ कार्य करते हैं। दो फोटो सिस्टम की उपस्थिति इस तथ्य के कारण सबसे अधिक संभावना है कि दृश्य प्रकाश की एक मात्रा की ऊर्जा पानी के अपघटन और पानी से एनएडीपी तक वाहक अणुओं की श्रृंखला के साथ एक इलेक्ट्रॉन के प्रभावी मार्ग को सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त नहीं है। +। लगभग 3 अरब साल पहले, नीले-हरे शैवाल या साइनोबैक्टीरिया पृथ्वी पर दिखाई दिए, जिन्होंने कार्बन डाइऑक्साइड को कम करने के लिए पानी को इलेक्ट्रॉनों के स्रोत के रूप में उपयोग करने की क्षमता हासिल कर ली। PS1 को अब हरे बैक्टीरिया से और PS2 को बैंगनी बैक्टीरिया से व्युत्पन्न माना जाता है। विकास प्रक्रिया के दौरान PS2 को PS1 के साथ एकल इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में "शामिल" करने के बाद, ऊर्जा समस्या को हल करना संभव हो गया - ऑक्सीजन / पानी और NADP + / NADP H जोड़े की रेडॉक्स क्षमता में एक बड़े अंतर को दूर करने के लिए पानी का ऑक्सीकरण करने में सक्षम प्रकाश संश्लेषक जीवों का उद्भव, पृथ्वी पर वन्यजीवों के विकास में सबसे महत्वपूर्ण चरणों में से एक बन गया है। सबसे पहले, शैवाल और हरे पौधों ने पानी को ऑक्सीकरण करना "सीखा" है, एनएडीपी + को कम करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के एक अटूट स्रोत में महारत हासिल की है। दूसरे, पानी को विघटित करके, उन्होंने पृथ्वी के वायुमंडल को आणविक ऑक्सीजन से भर दिया, इस प्रकार जीवों के तेजी से विकासवादी विकास के लिए स्थितियां पैदा कीं, जिनकी ऊर्जा एरोबिक श्वसन से जुड़ी हुई है।

क्लोरोप्लास्ट में प्रोटॉन स्थानांतरण और एटीपी संश्लेषण के साथ इलेक्ट्रॉन परिवहन प्रक्रियाओं का युग्मन

सीईटी के साथ एक इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण, एक नियम के रूप में, ऊर्जा में कमी के साथ होता है। इस प्रक्रिया की तुलना एक झुकाव वाले विमान के साथ शरीर के सहज आंदोलन से की जा सकती है। सीईटी के साथ एक इलेक्ट्रॉन के आंदोलन के दौरान ऊर्जा के स्तर में कमी का मतलब यह बिल्कुल भी नहीं है कि इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण हमेशा ऊर्जावान रूप से बेकार प्रक्रिया है। क्लोरोप्लास्ट के कामकाज की सामान्य परिस्थितियों में, इलेक्ट्रॉन परिवहन के दौरान जारी की गई अधिकांश ऊर्जा बेकार नहीं जाती है, लेकिन इसका उपयोग एटीपी सिंथेज़ नामक एक विशेष ऊर्जा-परिवर्तित परिसर को संचालित करने के लिए किया जाता है। यह परिसर एडीपी और अकार्बनिक फॉस्फेट एफ i (प्रतिक्रिया एडीपी + एफ i → एटीपी + एच 2 ओ) से एटीपी गठन की ऊर्जावान प्रतिकूल प्रक्रिया को उत्प्रेरित करता है। इस संबंध में, यह कहने की प्रथा है कि इलेक्ट्रॉन परिवहन की ऊर्जा-दान प्रक्रियाएं एटीपी संश्लेषण की ऊर्जा-स्वीकार्य प्रक्रियाओं से जुड़ी हैं।

प्रोटॉन परिवहन की प्रक्रियाएं थायलाकोइड झिल्ली में ऊर्जा संयुग्मन प्रदान करने में सबसे महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं, जैसा कि अन्य सभी ऊर्जा-परिवर्तित जीवों (माइटोकॉन्ड्रिया, प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया के क्रोमैटोफोर्स) में होता है। एटीपी संश्लेषण एटीपी सिंथेज़ के माध्यम से थायलाकोइड्स (3 एच इन +) से स्ट्रोमा (3 एच आउट +) तक तीन प्रोटॉन के हस्तांतरण से निकटता से संबंधित है:

एडीपी + एफ आई + 3 एच इन + → एटीपी + एच 2 ओ + 3 एच आउट +।

यह प्रक्रिया इसलिए संभव हो जाती है, क्योंकि झिल्ली में वाहकों की असममित व्यवस्था के कारण, क्लोरोप्लास्ट ईटीसी के कामकाज से थायलाकोइड के अंदर अतिरिक्त मात्रा में प्रोटॉन जमा हो जाते हैं: हाइड्रोजन आयन एनएडीपी + कमी के चरणों में बाहर से अवशोषित होते हैं। और प्लास्टोक्विनॉल का निर्माण और थायलाकोइड्स के अंदर पानी के अपघटन और प्लास्टोक्विनॉल ऑक्सीकरण के चरणों में जारी किया जाता है (चित्र। 4)। क्लोरोप्लास्ट की रोशनी से थायलाकोइड्स के अंदर हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता में उल्लेखनीय (100-1000 गुना) वृद्धि होती है।

इसलिए, हमने घटनाओं की एक श्रृंखला पर विचार किया है जिसके दौरान सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा उच्च-ऊर्जा रासायनिक यौगिकों - एटीपी और एनएडीपी एच की ऊर्जा के रूप में संग्रहीत होती है। प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण के इन उत्पादों का उपयोग अंधेरे चरणों में बनाने के लिए किया जाता है कार्बन डाइऑक्साइड और पानी से कार्बनिक यौगिक (कार्बोहाइड्रेट)। एटीपी और एनएडीपी एच के गठन के लिए अग्रणी ऊर्जा रूपांतरण के मुख्य चरणों में निम्नलिखित प्रक्रियाएं शामिल हैं: 1) प्रकाश-संचयन एंटीना के वर्णक द्वारा प्रकाश ऊर्जा का अवशोषण; 2) उत्तेजना ऊर्जा को फोटोरिएक्शन केंद्र में स्थानांतरित करना; 3) फोटोरिएक्शन केंद्र का ऑक्सीकरण और अलग-अलग शुल्कों का स्थिरीकरण; 4) इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के साथ इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण, एनएडीपी एच का गठन; 5) हाइड्रोजन आयनों का ट्रांसमेम्ब्रेन ट्रांसफर; 6) एटीपी संश्लेषण।

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प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश और अंधेरे चरणों में सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा ग्लूकोज के रासायनिक बंधों की ऊर्जा में कैसे परिवर्तित होती है? उत्तर स्पष्ट कीजिए।

जवाब

प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण में, सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा को उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, और फिर उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को एटीपी और एनएडीपी-एच 2 की ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरण में, एटीपी और एनएडीपी-एच 2 की ऊर्जा ग्लूकोज रासायनिक बंधनों की ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।

प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण के दौरान क्या होता है?

जवाब

प्रकाश की ऊर्जा से उत्साहित क्लोरोफिल के इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के साथ जाते हैं, उनकी ऊर्जा एटीपी और एनएडीपी-एच 2 में जमा होती है। जल का प्रकाश-अपघटन होता है, ऑक्सीजन निकलती है।

प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरण के दौरान होने वाली मुख्य प्रक्रियाएं क्या हैं?

जवाब

वायुमण्डल से प्राप्त कार्बन डाइऑक्साइड तथा प्रकाश प्रावस्था में प्राप्त हाइड्रोजन से प्रकाश प्रावस्था में प्राप्त एटीपी की ऊर्जा के कारण ग्लूकोज बनता है।

पादप कोशिका में क्लोरोफिल का क्या कार्य है?

जवाब

क्लोरोफिल प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में शामिल होता है: प्रकाश चरण में, क्लोरोफिल प्रकाश को अवशोषित करता है, क्लोरोफिल इलेक्ट्रॉन प्रकाश ऊर्जा प्राप्त करता है, टूट जाता है और इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के साथ चला जाता है।

प्रकाश संश्लेषण में क्लोरोफिल इलेक्ट्रॉन क्या भूमिका निभाते हैं?

जवाब

सूर्य के प्रकाश से उत्साहित क्लोरोफिल इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से गुजरते हैं और एटीपी और एनएडीपी-एच 2 के निर्माण के लिए अपनी ऊर्जा छोड़ देते हैं।

प्रकाश संश्लेषण की किस अवस्था में मुक्त ऑक्सीजन उत्पन्न होती है?

जवाब

प्रकाश चरण में, जल के प्रकाश-अपघटन के दौरान।

प्रकाश संश्लेषण की किस अवस्था में ATP संश्लेषण होता है?

जवाब

प्रकाश चरण।

प्रकाश संश्लेषण के दौरान ऑक्सीजन का स्रोत क्या है?

जवाब

पानी (पानी के फोटोलिसिस के दौरान ऑक्सीजन निकलती है)।

प्रकाश संश्लेषण की दर सीमित (सीमित) कारकों पर निर्भर करती है, जिनमें प्रकाश, कार्बन डाइऑक्साइड सांद्रता, तापमान शामिल हैं। ये कारक प्रकाश-संश्लेषण अभिक्रियाओं को सीमित क्यों कर रहे हैं?

जवाब

क्लोरोफिल के उत्तेजन के लिए प्रकाश आवश्यक है, यह प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया के लिए ऊर्जा की आपूर्ति करता है। प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरण में कार्बन डाइऑक्साइड की आवश्यकता होती है, इससे ग्लूकोज का संश्लेषण होता है। तापमान में बदलाव से एंजाइमों का विकृतीकरण होता है, प्रकाश संश्लेषण की प्रतिक्रिया धीमी हो जाती है।

पादपों में किस उपापचयी अभिक्रिया में कार्बन डाइऑक्साइड कार्बोहाइड्रेट के संश्लेषण के लिए प्रारंभिक पदार्थ है?

जवाब

प्रकाश संश्लेषण की प्रतिक्रियाओं में।

पौधों की पत्तियों में प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया तीव्रता से आगे बढ़ती है। क्या यह परिपक्व और कच्चे फलों में होता है? उत्तर स्पष्ट कीजिए।

जवाब

प्रकाश संश्लेषण पौधों के हरे भागों में होता है जो प्रकाश के संपर्क में आते हैं। इस प्रकार हरे फलों की त्वचा में प्रकाश संश्लेषण होता है। फल के अंदर और पके (हरे नहीं) फलों की त्वचा में प्रकाश संश्लेषण नहीं होता है।