प्रकाश संश्लेषण संश्लेषण प्रक्रियाओं का एक सेट है कार्बनिक यौगिकप्रकाश ऊर्जा को रासायनिक बंधों की ऊर्जा में बदलने के कारण अकार्बनिक से। फोटोट्रॉफिक जीवों में हरे पौधे, कुछ प्रोकैरियोट्स - साइनोबैक्टीरिया, बैंगनी और हरे सल्फर बैक्टीरिया, पौधे फ्लैगेलेट्स शामिल हैं।

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में अनुसंधान 18वीं शताब्दी के उत्तरार्ध में शुरू हुआ। उत्कृष्ट रूसी वैज्ञानिक के.ए.तिमिर्याज़ेव द्वारा एक महत्वपूर्ण खोज की गई, जिन्होंने हरे पौधों की ब्रह्मांडीय भूमिका के सिद्धांत की पुष्टि की। पौधे सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करते हैं और प्रकाश ऊर्जा को उनके द्वारा संश्लेषित कार्बनिक यौगिकों के रासायनिक बंधों की ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। इस प्रकार, वे पृथ्वी पर जीवन के संरक्षण और विकास को सुनिश्चित करते हैं। वैज्ञानिक ने सैद्धांतिक रूप से भी सिद्ध किया और प्रकाश संश्लेषण के दौरान प्रकाश के अवशोषण में क्लोरोफिल की भूमिका को प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध किया।

क्लोरोफिल मुख्य प्रकाश संश्लेषक वर्णक हैं। संरचना में, वे हीमोग्लोबिन हीम के समान होते हैं, लेकिन लोहे के बजाय उनमें मैग्नीशियम होता है। क्लोरोफिल अणुओं के संश्लेषण को सुनिश्चित करने के लिए लौह सामग्री आवश्यक है। कई क्लोरोफिल हैं जो उनकी रासायनिक संरचना में भिन्न हैं। सभी फोटोट्रॉफ़्स के लिए अनिवार्य है क्लोरोफिल ए . क्लोरोफिलबी हरे पौधों में पाया जाता है, क्लोरोफिल सी - डायटम और भूरे शैवाल में। क्लोरोफिल डी लाल शैवाल की विशेषता।

हरे और बैंगनी रंग के प्रकाश संश्लेषक जीवाणुओं में विशेष गुण होते हैं बैक्टीरियोक्लोरोफिल्स ... जीवाणु प्रकाश संश्लेषण में पादप प्रकाश संश्लेषण में बहुत समानता है। यह अलग है कि हाइड्रोजन सल्फाइड बैक्टीरिया में हाइड्रोजन और पौधों में पानी का दाता है। हरे और बैंगनी बैक्टीरिया में फोटोसिस्टम II की कमी होती है। जीवाणु प्रकाश संश्लेषण ऑक्सीजन की रिहाई के साथ नहीं है। जीवाणु प्रकाश संश्लेषण का समग्र समीकरण:

6С0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6Н 2 0.

प्रकाश संश्लेषण रेडॉक्स प्रक्रिया पर आधारित है। यह यौगिकों से इलेक्ट्रॉनों के हस्तांतरण से जुड़ा है जो दाता इलेक्ट्रॉनों को यौगिकों को प्रदान करते हैं जो उन्हें स्वीकार करते हैं - स्वीकर्ता। प्रकाश ऊर्जा को संश्लेषित कार्बनिक यौगिकों (कार्बोहाइड्रेट) की ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।

क्लोरोप्लास्ट झिल्लियों की विशेष संरचनाएँ होती हैं - प्रतिक्रिया केंद्र जिसमें क्लोरोफिल होता है। हरे पौधों और साइनोबैक्टीरिया में, दो प्रतिष्ठित हैं फोटो सिस्टम – पहले मैं) तथा दूसरा (द्वितीय) , जिनके विभिन्न प्रतिक्रिया केंद्र हैं और इलेक्ट्रॉन परिवहन प्रणाली के माध्यम से परस्पर जुड़े हुए हैं।

प्रकाश संश्लेषण के दो चरण

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में दो चरण होते हैं: प्रकाश और अंधेरा।

यह तभी होता है जब विशेष संरचनाओं की झिल्लियों में माइटोकॉन्ड्रिया की आंतरिक झिल्लियों पर प्रकाश होता है - थायलाकोइड्स ... प्रकाश संश्लेषक वर्णक प्रकाश क्वांटा (फोटॉन) पर कब्जा कर लेते हैं। यह क्लोरोफिल अणु के इलेक्ट्रॉनों में से एक के "उत्तेजना" की ओर जाता है। वाहक अणुओं की मदद से, एक इलेक्ट्रॉन एक निश्चित संभावित ऊर्जा प्राप्त करते हुए, थायलाकोइड झिल्ली की बाहरी सतह पर चला जाता है।

यह इलेक्ट्रॉन फोटोसिस्टम I अपने ऊर्जा स्तर पर वापस आ सकता है और इसे बहाल कर सकता है। NADP (निकोटिनामाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड फॉस्फेट) को भी स्थानांतरित किया जा सकता है। हाइड्रोजन आयनों के साथ बातचीत करते हुए, इलेक्ट्रॉन इस यौगिक को कम करते हैं। कम एनएडीपी (एनएडीपीएच) वायुमंडलीय CO2 को ग्लूकोज में कम करने के लिए हाइड्रोजन की आपूर्ति करता है।

इसी तरह की प्रक्रियाएं होती हैं फोटोसिस्टम II ... उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों को फोटोसिस्टम I में स्थानांतरित किया जा सकता है और बहाल किया जा सकता है। फोटोसिस्टम II की बहाली पानी के अणुओं द्वारा आपूर्ति किए गए इलेक्ट्रॉनों की कीमत पर होती है। पानी के अणु टूट जाते हैं (जल का प्रकाश-अपघटन) हाइड्रोजन प्रोटॉन और आणविक ऑक्सीजन में, जो वायुमंडल में छोड़ा जाता है। फोटोसिस्टम II को पुनर्स्थापित करने के लिए इलेक्ट्रॉनों का उपयोग किया जाता है। जल फोटोलिसिस समीकरण:

2H 2 0 → 4H + + 0 2 + 2e।

जब इलेक्ट्रॉन . से लौटते हैं बाहरी सतहथायलाकोइड झिल्ली ऊर्जा को पिछले ऊर्जा स्तर तक छोड़ती है। यह एटीपी अणुओं के रासायनिक बंधों के रूप में संग्रहीत होता है, जो दोनों फोटो सिस्टम में प्रतिक्रियाओं के दौरान संश्लेषित होते हैं। एटीपी और फॉस्फोरिक एसिड के साथ एटीपी के संश्लेषण को कहा जाता है Photophosphorylation ... कुछ ऊर्जा का उपयोग पानी को वाष्पित करने के लिए किया जाता है।

प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण के दौरान, ऊर्जा से भरपूर यौगिक बनते हैं: एटीपी और एनएडीपीएच। पानी के अणु के क्षय (फोटोलिसिस) के दौरान, आणविक ऑक्सीजन वायुमंडल में छोड़ी जाती है।

प्रतिक्रियाएं क्लोरोप्लास्ट के आंतरिक वातावरण में होती हैं। वे प्रकाश के साथ या बिना हो सकते हैं। प्रकाश चरण में बनने वाली ऊर्जा का उपयोग करके कार्बनिक पदार्थों को संश्लेषित किया जाता है (CO2 ग्लूकोज में कम हो जाता है)।

वसूली प्रक्रिया कार्बन डाइआक्साइडचक्रीय है और कहा जाता है केल्विन चक्र ... इसका नाम अमेरिकी शोधकर्ता एम. केल्विन के नाम पर रखा गया, जिन्होंने इस चक्रीय प्रक्रिया की खोज की थी।

चक्र की शुरुआत राइबुलोज बाइफॉस्फेट के साथ वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड की प्रतिक्रिया से होती है। एंजाइम प्रक्रिया को उत्प्रेरित करता है कार्बोज़ाइलेस ... रिब्यूले बाइफॉस्फेट एक पांच-कार्बन चीनी है जो दो फॉस्फोरिक एसिड अवशेषों के साथ मिलती है। कई रासायनिक परिवर्तन होते हैं, जिनमें से प्रत्येक अपने स्वयं के विशिष्ट एंजाइम को उत्प्रेरित करता है। प्रकाश संश्लेषण का अंतिम उत्पाद कैसे बनता है शर्करा , और रिबुलेज़ोबिफॉस्फेट भी बहाल हो जाता है।

प्रकाश संश्लेषण प्रक्रिया का समग्र समीकरण:

6सी0 2 + 6एच 2 0 → सी 6 एच 12 ओ 6 + 60 2

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया के लिए धन्यवाद, सूर्य की प्रकाश ऊर्जा अवशोषित होती है और संश्लेषित कार्बोहाइड्रेट के रासायनिक बंधनों की ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। खाद्य श्रृंखलाओं के माध्यम से ऊर्जा विषमपोषी जीवों में स्थानांतरित की जाती है। प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में, कार्बन डाइऑक्साइड अवशोषित होता है और ऑक्सीजन निकलता है। सभी वायुमंडलीय ऑक्सीजन प्रकाश संश्लेषक मूल के हैं। प्रतिवर्ष 200 बिलियन टन से अधिक मुक्त ऑक्सीजन जारी की जाती है। ऑक्सीजन वायुमंडल में ओजोन ढाल बनाकर पृथ्वी पर जीवन को पराबैंगनी विकिरण से बचाती है।

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया अप्रभावी है, क्योंकि केवल 1-2% सौर ऊर्जा संश्लेषित कार्बनिक पदार्थों में स्थानांतरित की जाती है। यह इस तथ्य के कारण है कि पौधे पर्याप्त प्रकाश को अवशोषित नहीं करते हैं, इसका कुछ हिस्सा वातावरण द्वारा अवशोषित किया जाता है, आदि। अधिकांश सूरज की रोशनीपृथ्वी की सतह से वापस अंतरिक्ष में परावर्तित होता है।

प्रकाश संश्लेषण
जीवित पौधों की कोशिकाओं द्वारा गठन कार्बनिक पदार्थ, जैसे शर्करा और स्टार्च, अकार्बनिक से - CO2 और पानी से - पौधों के रंजकों द्वारा अवशोषित प्रकाश की ऊर्जा का उपयोग करना। यह खाद्य उत्पादन प्रक्रिया है जिस पर सभी जीवित चीजें - पौधे, जानवर और मनुष्य - निर्भर करते हैं। सभी भूमि पौधे और अधिकांश जलीय पौधे प्रकाश संश्लेषण के दौरान ऑक्सीजन छोड़ते हैं। हालाँकि, कुछ जीवों को अन्य प्रकार के प्रकाश संश्लेषण की विशेषता होती है, जो ऑक्सीजन की रिहाई के बिना होते हैं। प्रकाश संश्लेषण की मुख्य प्रतिक्रिया, जो ऑक्सीजन के निकलने के साथ होती है, को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

कार्बनिक पदार्थों में इसके ऑक्साइड और नाइट्राइड के अपवाद के साथ सभी कार्बन यौगिक शामिल हैं। प्रकाश संश्लेषण के दौरान सबसे बड़ी मात्रा में कार्बनिक पदार्थ जैसे कार्बोहाइड्रेट (मुख्य रूप से शर्करा और स्टार्च), अमीनो एसिड (जिसमें से प्रोटीन बनते हैं) और अंत में, फैटी एसिड (जो ग्लिसरोफॉस्फेट के साथ संयोजन में संश्लेषण के लिए एक सामग्री के रूप में काम करते हैं) वसा)। अकार्बनिक पदार्थों में से, इन सभी यौगिकों के संश्लेषण के लिए पानी (H2O) और कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) की आवश्यकता होती है। अमीनो एसिड को भी नाइट्रोजन और सल्फर की आवश्यकता होती है। पौधे इन तत्वों को अपने ऑक्साइड, नाइट्रेट (NO3-) और सल्फेट (SO42-), या अन्य कम रूपों जैसे अमोनिया (NH3) या हाइड्रोजन सल्फाइड (हाइड्रोजन सल्फाइड H2S) के रूप में अवशोषित कर सकते हैं। प्रकाश संश्लेषण के दौरान, फास्फोरस को कार्बनिक यौगिकों की संरचना में भी शामिल किया जा सकता है (पौधे इसे फॉस्फेट के रूप में अवशोषित करते हैं) और धातु आयन - लोहा और मैग्नीशियम। प्रकाश संश्लेषण के लिए मैंगनीज और कुछ अन्य तत्व भी आवश्यक हैं, लेकिन केवल थोड़ी मात्रा में। स्थलीय पौधों में, ये सभी अकार्बनिक यौगिक, CO2 के अपवाद के साथ, जड़ों के माध्यम से प्रवेश करते हैं। पौधों का CO2 वायुमंडलीय वायु से प्राप्त होता है, जिसमें इसकी औसत सांद्रता 0.03% होती है। CO2 पत्तियों में प्रवेश करती है, और O2 उनमें से एपिडर्मिस में छोटे छिद्रों के माध्यम से स्टोमेटा कहलाता है। रंध्रों का खुलना और बंद होना विशेष कोशिकाओं द्वारा नियंत्रित होता है - उन्हें रक्षक कोशिकाएँ कहा जाता है - जो हरे रंग की होती हैं और प्रकाश संश्लेषण में सक्षम होती हैं। जब रक्षक कोशिकाओं पर प्रकाश पड़ता है, तो उनमें प्रकाश संश्लेषण शुरू हो जाता है। इसके उत्पादों का संचय इन कोशिकाओं को खिंचाव के लिए मजबूर करता है। इस मामले में, रंध्र का उद्घाटन व्यापक रूप से खुलता है, और CO2 पत्ती की अंतर्निहित परतों में प्रवेश करती है, जिसकी कोशिकाएं अब प्रकाश संश्लेषण जारी रख सकती हैं। रंध्र पत्तियों से पानी के वाष्पीकरण को भी नियंत्रित करते हैं, तथाकथित। वाष्पोत्सर्जन, क्योंकि अधिकांश जल वाष्प इन्हीं छिद्रों से होकर गुजरता है। जलीय पौधों को उनकी जरूरत की हर चीज मिलती है पोषक तत्वपानी से जिसमें वे रहते हैं। CO2 और बाइकार्बोनेट आयन (HCO3-) भी समुद्र और ताजे पानी में पाए जाते हैं। शैवाल और अन्य जल वनस्पतीउन्हें सीधे पानी से प्राप्त करें। प्रकाश संश्लेषण में, प्रकाश न केवल उत्प्रेरक की भूमिका निभाता है, बल्कि अभिकर्मकों में से एक भी है। प्रकाश संश्लेषण में पौधों द्वारा उपयोग की जाने वाली प्रकाश ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा प्रकाश संश्लेषण के उत्पादों में रासायनिक संभावित ऊर्जा के रूप में संग्रहीत होता है। बैंगनी (तरंग दैर्ध्य 400 एनएम) से मध्यम लाल (700 एनएम) तक कोई भी दृश्य प्रकाश कमोबेश प्रकाश संश्लेषण के लिए उपयुक्त होता है, जो ऑक्सीजन की रिहाई के साथ आगे बढ़ता है। कुछ जीवाणु प्रकाश संश्लेषण के लिए जो O2 रिलीज के साथ नहीं है, लंबी तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश, दूर लाल (900 एनएम) तक, प्रभावी ढंग से उपयोग किया जा सकता है। प्रकाश संश्लेषण की प्रकृति की व्याख्या आधुनिक रसायन विज्ञान के जन्म के समय से ही शुरू हो गई थी। जे. प्रीस्टली (1772), जे. इंगेनहॉस (1780), जे. सेनेबियर (1782) के कार्यों के साथ-साथ ए. लावोज़ियर (1775, 1781) के रासायनिक अध्ययनों ने यह निष्कर्ष निकालना संभव बना दिया कि पौधे कार्बन डाइऑक्साइड को परिवर्तित करते हैं। ऑक्सीजन और इस प्रक्रिया के लिए प्रकाश की आवश्यकता होती है। पानी की भूमिका तब तक अज्ञात रही जब तक कि इसे 1808 में एन. सौसुरे द्वारा इंगित नहीं किया गया। अपने बहुत ही सटीक प्रयोगों में, उन्होंने मिट्टी के गमले में उगने वाले पौधे के सूखे वजन को मापा, और अवशोषित कार्बन डाइऑक्साइड और ऑक्सीजन की मात्रा को भी निर्धारित किया। सौसुरे ने पुष्टि की कि पौधे द्वारा कार्बनिक पदार्थों में शामिल सभी कार्बन कार्बन डाइऑक्साइड से आते हैं। उसी समय, उन्होंने पाया कि पौधे का शुष्क पदार्थ लाभ अवशोषित कार्बन डाइऑक्साइड के वजन और जारी ऑक्सीजन के वजन के बीच के अंतर से अधिक था। चूंकि गमले में मिट्टी का वजन महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदला, इसलिए वजन बढ़ने का एकमात्र संभावित स्रोत पानी था। तो यह दिखाया गया कि प्रकाश संश्लेषण में अभिकर्मकों में से एक पानी है। ऊर्जा रूपांतरण की प्रक्रियाओं में से एक के रूप में प्रकाश संश्लेषण के महत्व की सराहना तब तक नहीं की जा सकती जब तक कि रासायनिक ऊर्जा का विचार उत्पन्न नहीं हुआ। 1845 में, आर. मेयर इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि प्रकाश संश्लेषण के दौरान, प्रकाश ऊर्जा अपने उत्पादों में संग्रहीत रासायनिक संभावित ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।

प्रकाश संश्लेषण की भूमिका।प्रकाश संश्लेषण की रासायनिक प्रतिक्रियाओं का कुल योग इसके प्रत्येक उत्पाद के लिए एक अलग रासायनिक समीकरण द्वारा वर्णित किया जा सकता है। साधारण चीनी ग्लूकोज के लिए, समीकरण इस तरह दिखता है:

समीकरण से पता चलता है कि एक हरे पौधे में, पानी के छह अणुओं और कार्बन डाइऑक्साइड के छह अणुओं से प्रकाश की ऊर्जा ग्लूकोज के एक अणु और ऑक्सीजन के छह अणुओं से बनती है। ग्लूकोज पौधों में संश्लेषित कई कार्बोहाइड्रेट में से एक है। नीचे है सामान्य समीकरणएक अणु में n कार्बन परमाणुओं के साथ एक कार्बोहाइड्रेट बनाने के लिए:

अन्य कार्बनिक यौगिकों के निर्माण का वर्णन करने वाले समीकरण इतने सरल नहीं हैं। अमीनो एसिड के संश्लेषण के लिए, अतिरिक्त अकार्बनिक यौगिकों की आवश्यकता होती है, जैसे कि सिस्टीन के निर्माण में:

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में एक अभिकर्मक के रूप में प्रकाश की भूमिका को साबित करना आसान है यदि हम एक अन्य रासायनिक प्रतिक्रिया, अर्थात् दहन की ओर मुड़ें। ग्लूकोज सेल्यूलोज की उपइकाइयों में से एक है, जो लकड़ी का मुख्य घटक है। ग्लूकोज के जलने का वर्णन निम्नलिखित समीकरण द्वारा किया गया है:

यह समीकरण ग्लूकोज के प्रकाश संश्लेषण के लिए समीकरण का उलटा है, इस तथ्य को छोड़कर कि प्रकाश ऊर्जा के बजाय मुख्य रूप से गर्मी जारी की जाती है। ऊर्जा के संरक्षण के नियम के अनुसार, यदि दहन के दौरान ऊर्जा निकलती है, तो एक विपरीत प्रतिक्रिया के दौरान, अर्थात। प्रकाश संश्लेषण में, इसे अवशोषित किया जाना चाहिए। दहन का जैविक एनालॉग श्वसन है, इसलिए श्वसन को गैर-जैविक दहन के समान समीकरण द्वारा वर्णित किया जाता है। सभी जीवित कोशिकाओं के लिए, प्रकाश के संपर्क में आने वाले हरे पौधों की कोशिकाओं के अपवाद के साथ, जैव रासायनिक प्रतिक्रियाएं ऊर्जा के स्रोत के रूप में कार्य करती हैं। श्वास मुख्य जैव रासायनिक प्रक्रिया है जो प्रकाश संश्लेषण के दौरान संग्रहीत ऊर्जा को मुक्त करती है, हालांकि दोनों के बीच लंबी खाद्य श्रृंखलाएं हो सकती हैं। महत्वपूर्ण गतिविधि के किसी भी प्रकटीकरण के लिए ऊर्जा का एक निरंतर प्रवाह आवश्यक है, और प्रकाश ऊर्जा, जिसे प्रकाश संश्लेषण कार्बनिक पदार्थों की रासायनिक संभावित ऊर्जा में परिवर्तित करता है और मुक्त ऑक्सीजन को मुक्त करने के लिए उपयोग करता है, सभी जीवित चीजों के लिए ऊर्जा का एकमात्र महत्वपूर्ण प्राथमिक स्रोत है। जीवित कोशिकाएं तब ऑक्सीजन के साथ इन कार्बनिक पदार्थों का ऑक्सीकरण ("जला") करती हैं, और जब ऑक्सीजन कार्बन, हाइड्रोजन, नाइट्रोजन और सल्फर के साथ जुड़ती है, तो कुछ ऊर्जा को विभिन्न महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं, जैसे कि आंदोलन या विकास में उपयोग के लिए संग्रहीत किया जाता है। सूचीबद्ध तत्वों के साथ मिलकर, ऑक्सीजन उनके ऑक्साइड बनाती है - कार्बन डाइऑक्साइड, पानी, नाइट्रेट और सल्फेट। यह चक्र पूरा करता है। मुक्त ऑक्सीजन, जिसका पृथ्वी पर एकमात्र स्रोत प्रकाश संश्लेषण है, सभी जीवित चीजों के लिए इतना आवश्यक क्यों है? इसका कारण इसकी उच्च प्रतिक्रियाशीलता है। इलेक्ट्रॉन बादल में, तटस्थ ऑक्सीजन परमाणु सबसे स्थिर इलेक्ट्रॉनिक विन्यास के लिए आवश्यक से दो कम इलेक्ट्रॉन होते हैं। इसलिए, ऑक्सीजन परमाणुओं में दो अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने की एक मजबूत प्रवृत्ति होती है, जो अन्य परमाणुओं के साथ संयोजन (दो बांड बनाकर) प्राप्त की जाती है। एक ऑक्सीजन परमाणु दो अलग-अलग परमाणुओं के साथ दो बंधन बना सकता है या कुछ परमाणुओं में से एक के साथ दोहरा बंधन बना सकता है। इनमें से प्रत्येक बंधन में, एक इलेक्ट्रॉन की आपूर्ति ऑक्सीजन परमाणु द्वारा की जाती है, और दूसरे इलेक्ट्रॉन को बंधन के निर्माण में भाग लेने वाले दूसरे परमाणु द्वारा आपूर्ति की जाती है। उदाहरण के लिए, एक पानी के अणु (H2O) में, दो हाइड्रोजन परमाणुओं में से प्रत्येक ऑक्सीजन के साथ बंधन के लिए एक एकल इलेक्ट्रॉन की आपूर्ति करता है, जिससे दो अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने के लिए ऑक्सीजन की अंतर्निहित प्रवृत्ति को संतुष्ट करता है। एक CO2 अणु में, दो ऑक्सीजन परमाणुओं में से प्रत्येक एक ही कार्बन परमाणु के साथ एक दोहरा बंधन बनाता है, जिसमें चार बंधन इलेक्ट्रॉन होते हैं। इस प्रकार, H2O और CO2 दोनों में, ऑक्सीजन परमाणु में उतने ही इलेक्ट्रॉन होते हैं जितने एक स्थिर विन्यास के लिए आवश्यक होते हैं। यदि, हालांकि, दो ऑक्सीजन परमाणु एक दूसरे के साथ जुड़ते हैं, तो इन परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक ऑर्बिटल्स केवल एक बंधन के गठन की अनुमति देते हैं। इस प्रकार इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता केवल आधी संतुष्ट होती है। इसलिए, O2 अणु CO2 और H2O अणुओं की तुलना में कम स्थिर और अधिक प्रतिक्रियाशील है। प्रकाश संश्लेषण के कार्बनिक उत्पाद, जैसे कि कार्बोहाइड्रेट, (СН2О) n, काफी स्थिर होते हैं, क्योंकि उनमें से प्रत्येक कार्बन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं को उतने ही इलेक्ट्रॉन प्राप्त होते हैं जितने कि सबसे स्थिर विन्यास बनाने के लिए आवश्यक होते हैं। प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया, जिसके परिणामस्वरूप कार्बोहाइड्रेट बनते हैं, इसलिए, दो बहुत ही स्थिर पदार्थ, CO2 और H2O, एक काफी स्थिर, (CH2O) n, और एक कम स्थिर, O2 में परिवर्तित हो जाते हैं। प्रकाश संश्लेषण के परिणामस्वरूप वातावरण में भारी मात्रा में O2 का संचय और इसकी उच्च प्रतिक्रियाशीलता एक सार्वभौमिक ऑक्सीडेंट के रूप में इसकी भूमिका निर्धारित करती है। जब कोई तत्व इलेक्ट्रॉनों या हाइड्रोजन परमाणुओं को छोड़ देता है, तो हम कहते हैं कि यह तत्व ऑक्सीकृत है। प्रकाश संश्लेषण में कार्बन परमाणुओं की तरह हाइड्रोजन के साथ इलेक्ट्रॉनों का जुड़ाव या बंधों का बनना अपचयन कहलाता है। इन अवधारणाओं का उपयोग करते हुए, प्रकाश संश्लेषण को कार्बन डाइऑक्साइड या अन्य अकार्बनिक ऑक्साइड की कमी के साथ मिलकर पानी के ऑक्सीकरण के रूप में परिभाषित किया जा सकता है।
प्रकाश संश्लेषण का तंत्र।प्रकाश और अंधेरे चरण। अब यह स्थापित हो गया है कि प्रकाश संश्लेषण दो चरणों में होता है: प्रकाश और अंधेरा। प्रकाश चरण पानी को विभाजित करने के लिए प्रकाश का उपयोग करने की प्रक्रिया है; ऑक्सीजन निकलती है और ऊर्जा से भरपूर यौगिक बनते हैं। डार्क स्टेज में प्रतिक्रियाओं का एक समूह शामिल होता है जो CO2 को एक साधारण चीनी में कम करने के लिए प्रकाश चरण से उच्च-ऊर्जा उत्पादों का उपयोग करता है, अर्थात। कार्बन आत्मसात करने के लिए। इसलिए डार्क स्टेज को सिंथेसिस स्टेज भी कहा जाता है। "डार्क स्टेज" शब्द का अर्थ केवल यह है कि इसमें प्रकाश सीधे तौर पर शामिल नहीं है। प्रकाश संश्लेषण के तंत्र के बारे में आधुनिक विचारों का गठन 1930-1950 के दशक में किए गए शोध के आधार पर किया गया था। इससे पहले, कई वर्षों तक, वैज्ञानिकों को एक सरल, लेकिन गलत परिकल्पना से गुमराह किया गया था, जिसके अनुसार O2 CO2 से बनता है, और जारी कार्बन H2O के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिसके परिणामस्वरूप कार्बोहाइड्रेट का निर्माण होता है। 1930 के दशक में, जब यह स्पष्ट हो गया कि कुछ सल्फर बैक्टीरिया प्रकाश संश्लेषण के दौरान ऑक्सीजन नहीं छोड़ते हैं, जैव रसायनज्ञ के. वैन नील ने सुझाव दिया कि हरे पौधों में प्रकाश संश्लेषण के दौरान जारी ऑक्सीजन पानी से आती है। सल्फर बैक्टीरिया में, प्रतिक्रिया निम्नानुसार होती है:

O2 के बजाय, ये जीव सल्फर बनाते हैं। वैन नील ने निष्कर्ष निकाला कि सभी प्रकार के प्रकाश संश्लेषण को समीकरण द्वारा वर्णित किया जा सकता है

जहां एक्स प्रकाश संश्लेषण में ऑक्सीजन है, ओ 2 की रिहाई के साथ आगे बढ़ रहा है, और सल्फर बैक्टीरिया के प्रकाश संश्लेषण में सल्फर है। वैन नील ने यह भी सुझाव दिया कि इस प्रक्रिया में दो चरण शामिल हैं: प्रकाश और संश्लेषण। इस परिकल्पना को शरीर विज्ञानी आर. हिल की खोज द्वारा समर्थित किया गया था। उन्होंने पाया कि नष्ट या आंशिक रूप से निष्क्रिय कोशिकाएं एक प्रतिक्रिया करने में सक्षम हैं, जिसके प्रकाश में ऑक्सीजन निकलती है, लेकिन CO2 कम नहीं होती है (इसे पहाड़ी प्रतिक्रिया कहा जाता था)। इस प्रतिक्रिया को आगे बढ़ने के लिए, पानी के ऑक्सीजन द्वारा छोड़े गए इलेक्ट्रॉनों या हाइड्रोजन परमाणुओं को जोड़ने में सक्षम कुछ ऑक्सीकरण एजेंट जोड़ना आवश्यक था। हिल के अभिकर्मकों में से एक क्विनोन है, जो दो हाइड्रोजन परमाणुओं को जोड़कर डायहाइड्रोक्विनोन में बदल जाता है। हिल के अन्य अभिकर्मकों में फेरिक आयरन (Fe3 + आयन) होता है, जो पानी के ऑक्सीजन से एक इलेक्ट्रॉन को जोड़कर फेरस (Fe2 +) में परिवर्तित हो जाता है। तो यह दिखाया गया कि हाइड्रोजन परमाणुओं का जल ऑक्सीजन से कार्बन में संक्रमण इलेक्ट्रॉनों और हाइड्रोजन आयनों की एक स्वतंत्र गति के रूप में हो सकता है। अब यह स्थापित किया गया है कि यह एक परमाणु से दूसरे में इलेक्ट्रॉनों का संक्रमण है जो ऊर्जा भंडारण के लिए महत्वपूर्ण है, जबकि हाइड्रोजन आयन एक जलीय घोल में जा सकते हैं और यदि आवश्यक हो, तो इसे फिर से निकाला जा सकता है। हिल की प्रतिक्रिया, जिसमें प्रकाश ऊर्जा का उपयोग ऑक्सीजन से एक ऑक्सीकरण एजेंट (इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता) में इलेक्ट्रॉनों के हस्तांतरण को प्रेरित करने के लिए किया जाता है, प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण के रासायनिक और मॉडल में प्रकाश ऊर्जा के संक्रमण का पहला प्रदर्शन था। परिकल्पना, जिसके अनुसार प्रकाश संश्लेषण के दौरान ऑक्सीजन को लगातार पानी से आपूर्ति की जाती है, की पुष्टि भारी ऑक्सीजन आइसोटोप (18O) के साथ लेबल किए गए पानी के प्रयोगों में की गई थी। चूँकि उनके द्वारा ऑक्सीजन समस्थानिक (साधारण 16O और भारी 18O) रासायनिक गुणसमान हैं, पौधे H218O का उसी प्रकार उपयोग करते हैं जैसे H216O। यह पता चला कि जारी ऑक्सीजन में 18O मौजूद है। एक अन्य प्रयोग में, पौधों ने H216O और C18O2 के साथ प्रकाश संश्लेषण किया। वहीं, प्रयोग की शुरुआत में जारी ऑक्सीजन में 18O नहीं था। 1950 के दशक में, प्लांट फिजियोलॉजिस्ट डी। अर्नोन और अन्य शोधकर्ताओं ने साबित किया कि प्रकाश संश्लेषण में प्रकाश और अंधेरे चरण शामिल हैं। पादप कोशिकाओं से, ऐसी तैयारी प्राप्त की गई जो पूरे प्रकाश चरण को पूरा करने में सक्षम थीं। उनका उपयोग करके, यह स्थापित करना संभव था कि, प्रकाश में, इलेक्ट्रॉनों को पानी से एक प्रकाश संश्लेषक ऑक्सीडाइज़र में स्थानांतरित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप, प्रकाश संश्लेषण के अगले चरण में कार्बन डाइऑक्साइड की कमी के लिए एक इलेक्ट्रॉन दाता बन जाता है। इलेक्ट्रॉन वाहक निकोटिनामाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड फॉस्फेट है। इसका ऑक्सीकृत रूप NADP + नामित है, और कम रूप (दो इलेक्ट्रॉनों और एक हाइड्रोजन आयन के योग के बाद गठित) को NADPHN नामित किया गया है। NADP + में, नाइट्रोजन परमाणु पेंटावैलेंट (चार बॉन्ड और एक पॉजिटिव चार्ज) है, और NADPHN में यह ट्रिटेंट (तीन बॉन्ड) है। NADP + तथाकथित के अंतर्गत आता है। सहएंजाइम कोएंजाइम, एंजाइमों के साथ, जीवित प्रणालियों में कई रासायनिक प्रतिक्रियाएं करते हैं, लेकिन एंजाइमों के विपरीत, वे प्रतिक्रिया के दौरान बदल जाते हैं। प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण में संग्रहीत अधिकांश परिवर्तित प्रकाश ऊर्जा को पानी से एनएडीपी + में इलेक्ट्रॉनों के स्थानांतरण के दौरान संग्रहीत किया जाता है। परिणामी NADPHN इलेक्ट्रॉनों को पानी के ऑक्सीजन के रूप में मजबूती से नहीं रखता है, और उपयोगी रासायनिक कार्यों के लिए संचित ऊर्जा को खर्च करते हुए, उन्हें कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण में दे सकता है। ऊर्जा की एक महत्वपूर्ण मात्रा दूसरे तरीके से संग्रहीत की जाती है, अर्थात् एटीपी (एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट) के रूप में। यह निम्न समीकरण के अनुसार एक अकार्बनिक फॉस्फेट आयन (HPO42-) और एक कार्बनिक फॉस्फेट, एडेनोसिन डिफॉस्फेट (ADP) से पानी निकालकर बनता है:

एटीपी एक ऊर्जा समृद्ध यौगिक है और इसे बनाने के लिए किसी स्रोत से ऊर्जा की आवश्यकता होती है। एक विपरीत प्रतिक्रिया में, अर्थात्। जब एटीपी एडीपी और फॉस्फेट में टूट जाता है, तो ऊर्जा निकलती है। कई मामलों में, एटीपी अपनी ऊर्जा अन्य रासायनिक यौगिकों को एक प्रतिक्रिया में छोड़ देता है जिसमें हाइड्रोजन को फॉस्फेट द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। नीचे दी गई प्रतिक्रिया में, चीनी (आरओएच) को चीनी फॉस्फेट में फॉस्फोराइलेट किया जाता है:

चीनी फॉस्फेट में गैर-फॉस्फोराइलेटेड चीनी की तुलना में अधिक ऊर्जा होती है, इसलिए इसकी प्रतिक्रियाशीलता अधिक होती है। प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण में गठित (O2 के साथ) ATP और NADPHN, फिर कार्बन डाइऑक्साइड से कार्बोहाइड्रेट और अन्य कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण के चरण में उपयोग किए जाते हैं।
प्रकाश संश्लेषक उपकरण का उपकरण।प्रकाश ऊर्जा को वर्णक (तथाकथित पदार्थ जो दृश्य प्रकाश को अवशोषित करते हैं) द्वारा अवशोषित किया जाता है। सभी प्रकाश संश्लेषक पौधों में क्लोरोफिल के हरे वर्णक के विभिन्न रूप होते हैं, और शायद सभी में कैरोटीनॉयड होते हैं, जो आमतौर पर पीले रंग के होते हैं। उच्च पौधों में क्लोरोफिल a (C55H72O5N4Mg) और क्लोरोफिल b (C55H70O6N4Mg) के साथ-साथ चार मुख्य कैरोटीनॉयड होते हैं: b-कैरोटीन (C40H56), ल्यूटिन (C40H55O2), वायलेक्सैन्थिन और नेओक्सैन्थिन। वर्णक की यह विविधता दृश्य प्रकाश के अवशोषण का एक विस्तृत स्पेक्ट्रम प्रदान करती है, क्योंकि उनमें से प्रत्येक स्पेक्ट्रम के एक अलग क्षेत्र में "ट्यून" होता है। कुछ शैवाल में लगभग समान वर्णक होते हैं, लेकिन उनमें से कई में वर्णक होते हैं जो उनकी रासायनिक प्रकृति में सूचीबद्ध लोगों से थोड़े अलग होते हैं। ये सभी रंगद्रव्य, एक हरे रंग की कोशिका के संपूर्ण प्रकाश संश्लेषक तंत्र की तरह, एक झिल्ली से घिरे विशेष जीवों में संलग्न होते हैं, तथाकथित। क्लोरोप्लास्ट। पादप कोशिकाओं का हरा रंग केवल क्लोरोप्लास्ट पर निर्भर करता है; कोशिकाओं के अन्य तत्वों में हरे रंग के वर्णक नहीं होते हैं। क्लोरोप्लास्ट का आकार और आकार काफी परिवर्तनशील होता है। एक ठेठ क्लोरोप्लास्ट थोड़ा घुमावदार ककड़ी जैसा दिखता है, लगभग। 1 माइक्रोन भर में और लगभग। 4 माइक्रोन। हरे पौधों की बड़ी कोशिकाओं, जैसे कि अधिकांश स्थलीय प्रजातियों में पत्ती की कोशिकाओं में कई क्लोरोप्लास्ट होते हैं, जबकि छोटे एककोशिकीय शैवाल, जैसे कि क्लोरेला पाइरेनोइडोसा में केवल एक क्लोरोप्लास्ट होता है, जो अधिकांश कोशिका पर कब्जा कर लेता है।
एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप आपको क्लोरोप्लास्ट की बहुत जटिल संरचना से परिचित होने की अनुमति देता है। यह एक पारंपरिक प्रकाश सूक्ष्मदर्शी में दिखाई देने वाली संरचनाओं की तुलना में बहुत बेहतर संरचनाओं को प्रकट करना संभव बनाता है। एक प्रकाश सूक्ष्मदर्शी में 0.5 माइक्रोन से छोटे कणों को अलग नहीं किया जा सकता है। 1961 तक पहले से ही इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी की संकल्प शक्ति ने कणों को एक हजार गुना छोटा (0.5 एनएम के क्रम में) देखना संभव बना दिया। एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप की मदद से, क्लोरोप्लास्ट, तथाकथित में बहुत पतली झिल्ली संरचनाएं प्रकट हुईं। थायलाकोइड्स ये सपाट पाउच होते हैं, जो किनारों पर बंद होते हैं और ढेरों में एकत्रित होते हैं, जिन्हें दाने कहा जाता है; तस्वीरों में, दाने बहुत पतले पैनकेक के ढेर की तरह दिखते हैं। थैली के अंदर एक जगह होती है - थायलाकोइड गुहा, और थायलाकोइड्स, जो कणिकाओं में एकत्रित होते हैं, घुलनशील प्रोटीन के एक जेल जैसे द्रव्यमान में डूबे होते हैं जो क्लोरोप्लास्ट के आंतरिक स्थान को भरते हैं और इसे स्ट्रोमा कहा जाता है। स्ट्रोमा में छोटे और पतले थायलाकोइड्स भी होते हैं, जो अलग-अलग दानों को एक दूसरे से जोड़ते हैं। सभी थायलाकोइड झिल्ली लगभग समान मात्रा में प्रोटीन और लिपिड से बनी होती हैं। चाहे वे कणिकाओं में एकत्र हों या नहीं, यह उनमें है कि वर्णक केंद्रित होते हैं और प्रकाश चरण आगे बढ़ता है। अंधेरा चरण होता है, जैसा कि आमतौर पर माना जाता है, स्ट्रोमा में।
फोटो सिस्टम।क्लोरोप्लास्ट के थायलाकोइड झिल्लियों में डूबे क्लोरोफिल और कैरोटीनॉयड को कार्यात्मक इकाइयों - फोटोसिस्टम में इकट्ठा किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक में लगभग 250 वर्णक अणु होते हैं। प्रकाश प्रणाली की संरचना ऐसी है कि प्रकाश को अवशोषित करने में सक्षम इन सभी अणुओं में से केवल एक विशेष रूप से स्थित क्लोरोफिल एक अणु प्रकाश रासायनिक प्रतिक्रियाओं में अपनी ऊर्जा का उपयोग कर सकता है - यह फोटोसिस्टम का प्रतिक्रिया केंद्र है। बाकी वर्णक अणु, प्रकाश को अवशोषित करते हुए, अपनी ऊर्जा को प्रतिक्रिया केंद्र में स्थानांतरित करते हैं; प्रकाश संचयन करने वाले इन अणुओं को एंटेना कहा जाता है। फोटो सिस्टम दो प्रकार के होते हैं। फोटोसिस्टम I में, एक विशिष्ट क्लोरोफिल एक अणु जो प्रतिक्रिया केंद्र बनाता है, में 700 एनएम (P700 के रूप में चिह्नित; P एक वर्णक है) के प्रकाश तरंग दैर्ध्य पर एक अवशोषण इष्टतम होता है, और फोटोसिस्टम II में, 680 एनएम (P680) पर। आमतौर पर, दोनों फोटोसिस्टम सिंक्रोनस और (प्रकाश में) लगातार काम करते हैं, हालांकि फोटोसिस्टम I अलग से काम कर सकता है।
प्रकाश ऊर्जा का रूपांतरण।इस मुद्दे पर विचार फोटोसिस्टम II से शुरू होना चाहिए, जहां प्रकाश ऊर्जा का उपयोग P680 प्रतिक्रिया केंद्र द्वारा किया जाता है। जब प्रकाश इस फोटोसिस्टम में प्रवेश करता है, तो इसकी ऊर्जा P680 अणु को उत्तेजित करती है, और इस अणु से संबंधित उत्तेजित, सक्रिय इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी अलग हो जाती है और एक स्वीकर्ता अणु (शायद एक क्विनोन) में स्थानांतरित हो जाती है, जिसे अक्षर Q द्वारा दर्शाया जाता है। स्थिति की कल्पना की जा सकती है। इस तरह से कि इलेक्ट्रॉन प्राप्त प्रकाश "धक्का" से कूद जाते हैं और स्वीकर्ता उन्हें किसी ऊपरी स्थिति में पकड़ लेता है। यदि यह स्वीकर्ता के लिए नहीं होता, तो इलेक्ट्रॉन अपनी मूल स्थिति (प्रतिक्रिया केंद्र में) वापस आ जाते, और नीचे की ओर गति के दौरान जारी ऊर्जा प्रकाश में चली जाती, अर्थात। फ्लोरेसेंस पर खर्च किया जाएगा। इस दृष्टिकोण से, एक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता को एक प्रतिदीप्ति क्वेंचर के रूप में माना जा सकता है (इसलिए इसका पदनाम क्यू, अंग्रेजी से बुझाने के लिए - बुझाने के लिए)।
P680 अणु, दो इलेक्ट्रॉनों को खोने के बाद, ऑक्सीकृत हो जाता है, और इस प्रक्रिया को इस पर न रुकने के लिए, इसे कम किया जाना चाहिए, अर्थात। किसी भी स्रोत से दो इलेक्ट्रॉन प्राप्त करें। पानी ऐसे स्रोत के रूप में कार्य करता है: यह 2H + और 1/2O2 में विभाजित होता है, दो इलेक्ट्रॉनों को ऑक्सीकृत P680 में दान करता है। पानी के इस प्रकाश-निर्भर विभाजन को फोटोलिसिस कहा जाता है। फोटोलिसिस करने वाले एंजाइम थायलाकोइड झिल्ली के अंदरूनी हिस्से में स्थित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप सभी हाइड्रोजन आयन थायलाकोइड गुहा में जमा हो जाते हैं। मैंगनीज परमाणु फोटोलिसिस एंजाइमों के सबसे महत्वपूर्ण सहसंयोजक हैं। फोटोसिस्टम के प्रतिक्रिया केंद्र से स्वीकर्ता तक दो इलेक्ट्रॉनों का संक्रमण एक चढ़ाई है, अर्थात। एक उच्च ऊर्जा स्तर तक, और यह वृद्धि प्रकाश की ऊर्जा द्वारा प्रदान की जाती है। इसके अलावा, फोटोसिस्टम II में, इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी स्वीकर्ता Q से फोटोसिस्टम I तक एक चरणबद्ध "वंश" शुरू करती है। वंश एक इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के साथ होता है, जो संगठन में माइटोकॉन्ड्रिया में एक समान श्रृंखला के समान होता है (मेटाबोलिज्म भी देखें)। इसमें साइटोक्रोम, आयरन और सल्फर युक्त प्रोटीन, कॉपर युक्त प्रोटीन और अन्य घटक होते हैं। अधिक सक्रिय अवस्था से कम सक्रिय अवस्था में इलेक्ट्रॉनों का क्रमिक वंश ADP और अकार्बनिक फॉस्फेट से ATP के संश्लेषण से जुड़ा है। नतीजतन, प्रकाश की ऊर्जा नष्ट नहीं होती है, लेकिन एटीपी के फॉस्फेट बांड में संग्रहीत होती है, जिसका उपयोग चयापचय प्रक्रियाओं में किया जा सकता है। प्रकाश संश्लेषण के दौरान एटीपी के उत्पादन को फोटोफॉस्फोराइलेशन कहा जाता है। इसके साथ ही वर्णित प्रक्रिया के साथ, प्रकाश को फोटोसिस्टम I में अवशोषित किया जाता है। यहां, इसकी ऊर्जा का उपयोग प्रतिक्रिया केंद्र (P700) से दो इलेक्ट्रॉनों को अलग करने और उन्हें एक स्वीकर्ता - एक आयरन युक्त प्रोटीन में स्थानांतरित करने के लिए भी किया जाता है। इस स्वीकर्ता से, एक मध्यवर्ती वाहक (लोहा युक्त एक प्रोटीन भी) के माध्यम से, दोनों इलेक्ट्रॉन NADP + में जाते हैं, जो परिणामस्वरूप, हाइड्रोजन आयनों को जोड़ने में सक्षम हो जाता है (पानी के फोटोलिसिस के दौरान बनता है और थायलाकोइड्स में संरक्षित होता है) और NADPHN में बदल जाता है। . P700 प्रतिक्रिया केंद्र के लिए प्रक्रिया की शुरुआत में ऑक्सीकरण किया जाता है, यह फोटोसिस्टम II से दो ("अवरोही") इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करता है, जो इसे अपनी मूल स्थिति में लौटाता है। फोटो सिस्टम I और II के फोटोएक्टिवेशन के दौरान होने वाली प्रकाश अवस्था की समग्र प्रतिक्रिया को निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है:

इस मामले में इलेक्ट्रॉन प्रवाह की कुल ऊर्जा उपज 1 एटीपी अणु और 1 एनएडीपीएच अणु प्रति 2 इलेक्ट्रॉन है। इन यौगिकों की ऊर्जा की तुलना प्रकाश की ऊर्जा से की जाती है जो उनके संश्लेषण को प्रदान करती है, यह गणना की गई कि प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में अवशोषित प्रकाश की ऊर्जा का लगभग 1/3 भाग संग्रहीत होता है। कुछ प्रकाश संश्लेषक जीवाणुओं में, प्रकाश तंत्र I स्वतंत्र रूप से कार्य करता है। इस मामले में, इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह चक्रीय रूप से प्रतिक्रिया केंद्र से स्वीकर्ता तक और - बाईपास पथ के साथ - प्रतिक्रिया केंद्र में वापस जाता है। इस मामले में, पानी और ऑक्सीजन के विकास का फोटोलिसिस नहीं होता है, एनएडीपीएचएन नहीं बनता है, लेकिन एटीपी संश्लेषित होता है। प्रकाश प्रतिक्रिया का ऐसा तंत्र उच्च पौधों में उन परिस्थितियों में भी हो सकता है जब कोशिकाओं में NADPHN की अधिकता होती है।
डार्क प्रतिक्रियाएं (संश्लेषण चरण)।क्लोरोप्लास्ट में CO2 (साथ ही नाइट्रेट और सल्फेट) को कम करके कार्बनिक यौगिकों का संश्लेषण भी होता है। एटीपी और एनएडीपीएचएन, थायलाकोइड झिल्ली में होने वाली एक हल्की प्रतिक्रिया द्वारा आपूर्ति की जाती है, संलयन प्रतिक्रियाओं के लिए ऊर्जा और इलेक्ट्रॉनों के स्रोत के रूप में कार्य करती है। CO2 में कमी इलेक्ट्रॉनों के CO2 में स्थानांतरण का परिणाम है। इस हस्तांतरण के दौरान, कुछ सी-ओ बांडों को बदल दिया जाता है संचार, सी-सी और ओ-एन। प्रक्रिया में कई चरण होते हैं, जिनमें से कुछ (15 या अधिक) एक चक्र बनाते हैं। इस चक्र की खोज 1953 में रसायनज्ञ एम. केल्विन और उनके सहयोगियों ने की थी। अपने प्रयोगों में कार्बन के सामान्य (स्थिर) समस्थानिक के बजाय इसके रेडियोधर्मी समस्थानिक का उपयोग करते हुए, ये शोधकर्ता अध्ययन की जा रही प्रतिक्रियाओं में कार्बन के मार्ग का पता लगाने में सक्षम थे। 1961 में केल्विन को इस कार्य के लिए सम्मानित किया गया नोबेल पुरुस्काररसायन विज्ञान में। केल्विन चक्र में तीन से सात तक अणुओं में कार्बन परमाणुओं की संख्या वाले यौगिक शामिल होते हैं। चक्र घटकों में से एक को छोड़कर सभी चीनी फॉस्फेट हैं, अर्थात। शर्करा जिसमें एक या दो OH समूहों को फॉस्फेट समूह (-OPO3H-) द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। अपवाद 3-फॉस्फोग्लिसरिक एसिड (FHA; 3-फॉस्फोग्लिसरेट) है, जो एक चीनी एसिड फॉस्फेट है। यह फॉस्फोराइलेटेड थ्री-कार्बन शुगर (ग्लिसरोफॉस्फेट) के समान है, लेकिन इससे अलग है कि इसमें एक कार्बोक्सिल समूह O = C-O- है, अर्थात। इसका एक कार्बन परमाणु तीन बंधों द्वारा ऑक्सीजन परमाणुओं से जुड़ा होता है। पांच कार्बन परमाणुओं (C5) युक्त राइबुलोज मोनोफॉस्फेट के साथ चक्र का विवरण शुरू करना सुविधाजनक है। प्रकाश अवस्था में बनने वाला एटीपी राइबुलोज मोनोफॉस्फेट के साथ प्रतिक्रिया करता है, इसे राइबुलोज डिफॉस्फेट में परिवर्तित करता है। दूसरा फॉस्फेट समूह राइबुलोज डिपोस्फेट को अतिरिक्त ऊर्जा देता है, क्योंकि यह एटीपी अणु में संग्रहीत ऊर्जा का हिस्सा होता है। इसलिए, अन्य यौगिकों के साथ प्रतिक्रिया करने और नए बांड बनाने की प्रवृत्ति राइबुलोज डाइफॉस्फेट में अधिक स्पष्ट होती है। यह C5 चीनी है जो CO2 को छह-कार्बन यौगिक बनाने के लिए बांधती है। उत्तरार्द्ध बहुत अस्थिर है और, पानी की क्रिया के तहत, दो टुकड़ों में विघटित हो जाता है - दो एफएचए अणु। यदि हम केवल चीनी के अणुओं में कार्बन परमाणुओं की संख्या में परिवर्तन को ध्यान में रखते हैं, तो चक्र के इस मुख्य चरण, जिसमें CO2 का निर्धारण (आत्मसात) होता है, को निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है:

एंजाइम जो CO2 निर्धारण (विशिष्ट कार्बोक्सिलेज) को उत्प्रेरित करता है, क्लोरोप्लास्ट में बहुत बड़ी मात्रा में मौजूद होता है (उनमें कुल प्रोटीन सामग्री का 16% से अधिक); हरे पौधों के विशाल द्रव्यमान को देखते हुए, यह शायद जीवमंडल में सबसे प्रचुर मात्रा में प्रोटीन है। अगला चरण यह है कि कार्बोक्सिलेशन प्रतिक्रिया में बनने वाले दो एफएचए अणु एक एनएडीपीएचपी अणु द्वारा तीन-कार्बन चीनी फॉस्फेट (ट्राईज फॉस्फेट) में कम हो जाते हैं। यह कमी एफएचए के कार्बोक्सिल समूह के कार्बन में दो इलेक्ट्रॉनों के स्थानांतरण के परिणामस्वरूप होती है। हालांकि, इस मामले में, अणु को अतिरिक्त रासायनिक ऊर्जा की आपूर्ति करने और इसकी प्रतिक्रियाशीलता बढ़ाने के लिए एटीपी की आवश्यकता होती है। यह कार्य एंजाइम प्रणाली द्वारा किया जाता है, जो एटीपी के टर्मिनल फॉस्फेट समूह को कार्बोक्सिल समूह (एक समूह बनता है) के ऑक्सीजन परमाणुओं में से एक में स्थानांतरित करता है, अर्थात। एफएचए को डिफॉस्फोग्लिसरिक एसिड में बदल दिया जाता है। जैसे ही NADPHN इस यौगिक के कार्बोक्सिल समूह के कार्बन में एक हाइड्रोजन परमाणु और एक इलेक्ट्रॉन (जो दो इलेक्ट्रॉनों और एक हाइड्रोजन आयन, H + के बराबर होता है) को स्थानांतरित करता है, सी-ओ लिंकटूट जाता है और फास्फोरस से बंधी ऑक्सीजन अकार्बनिक फॉस्फेट, HPO42- में चली जाती है, और कार्बोक्सिल समूह O = C-O- एल्डिहाइड O = C-H में बदल जाता है। उत्तरार्द्ध शर्करा के एक निश्चित वर्ग की विशेषता है। नतीजतन, एटीपी और एनएडीपीएचएन की भागीदारी के साथ एफएचए चीनी फॉस्फेट (ट्राईज फॉस्फेट) में कम हो जाता है। ऊपर वर्णित पूरी प्रक्रिया को निम्नलिखित समीकरणों द्वारा दर्शाया जा सकता है: 1) राइबुलोज मोनोफॉस्फेट + एटीपी -> रिबुलोज डाइफॉस्फेट + एडीपी 2) रिबुलोज डाइफॉस्फेट + सीओ 2 -> अस्थिर सी 6 यौगिक 3) अस्थिर सी 6 यौगिक + एच 2 ओ -> 2 एफजीके 4) एफजीके + ATP + NADP -> ADP + H2PO42 - + ट्रायोज फॉस्फेट (C3)। प्रतिक्रियाओं का अंतिम परिणाम 1-4 एनएडीपीएचपी के दो अणुओं और एटीपी के तीन अणुओं के खर्च के साथ राइबुलोज मोनोफॉस्फेट और सीओ 2 से ट्रायोज फॉस्फेट (सी 3) के दो अणुओं का निर्माण होता है। यह प्रतिक्रियाओं की इस श्रृंखला में है कि प्रकाश चरण का संपूर्ण योगदान - एटीपी और एनएडीपीएचएन के रूप में - कार्बन कमी चक्र में प्रस्तुत किया जाता है। बेशक, प्रकाश चरण को अतिरिक्त रूप से नाइट्रेट और सल्फेट की कमी के लिए और अन्य कार्बनिक पदार्थों - कार्बोहाइड्रेट, प्रोटीन और वसा में चक्र में गठित एफएचए और ट्रायोज फॉस्फेट के रूपांतरण के लिए इन कॉफ़ैक्टर्स की आपूर्ति करनी चाहिए। चक्र के बाद के चरणों का महत्व इस तथ्य तक कम हो जाता है कि वे पांच-कार्बन यौगिक, राइबुलोज मोनोफॉस्फेट के पुनर्जनन की ओर ले जाते हैं, जो चक्र के नवीनीकरण के लिए आवश्यक है। चक्र के इस भाग को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

जो 5C3 -> 3C5 तक जुड़ जाता है। ट्रायोज फॉस्फेट के पांच अणुओं से बनने वाले राइबुलोज मोनोफॉस्फेट के तीन अणु - CO2 (कार्बोक्सिलेशन) और कमी के बाद - ट्रायोज फॉस्फेट के छह अणुओं में परिवर्तित हो जाते हैं। इस प्रकार, चक्र के एक टर्नओवर के परिणामस्वरूप, कार्बन डाइऑक्साइड का एक अणु तीन-कार्बन कार्बनिक यौगिक की संरचना में शामिल होता है; चक्र के तीन चक्कर बाद वाले का कुल एक नया अणु देते हैं, और छह-कार्बन चीनी (ग्लूकोज या फ्रुक्टोज) के एक अणु के संश्लेषण के लिए, दो तीन-कार्बन अणुओं की आवश्यकता होती है और, तदनुसार, चक्र के 6 चक्कर . कार्बनिक पदार्थों में वृद्धि से प्रतिक्रियाओं को चक्र मिलता है जिसमें विभिन्न शर्करा, फैटी एसिड और अमीनो एसिड बनते हैं, अर्थात। स्टार्च, वसा और प्रोटीन के "बिल्डिंग ब्लॉक्स"। तथ्य यह है कि प्रकाश संश्लेषण के प्रत्यक्ष उत्पाद न केवल कार्बोहाइड्रेट हैं, बल्कि अमीनो एसिड और संभवतः फैटी एसिड भी एक आइसोटोप टैग - कार्बन का एक रेडियोधर्मी आइसोटोप का उपयोग करके स्थापित किया गया था। क्लोरोप्लास्ट केवल स्टार्च और शर्करा के संश्लेषण के लिए अनुकूलित एक कण नहीं है। यह एक बहुत ही जटिल, सुव्यवस्थित "कारखाना" है, जो न केवल उन सभी सामग्रियों का उत्पादन करने में सक्षम है जिनसे इसे बनाया गया है, बल्कि कम कार्बन यौगिकों के साथ कोशिका के उन हिस्सों और उन पौधों के अंगों की आपूर्ति भी करता है जो स्वयं प्रकाश संश्लेषण नहीं करते हैं।
साहित्य
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प्रकाश संश्लेषण- क्लोरोप्लास्ट में क्लोरोफिल द्वारा अधिशोषित सौर (प्रकाश) ऊर्जा का उपयोग करके पानी और वातावरण के कार्बन डाइऑक्साइड से हरे पौधों की पत्तियों में कार्बनिक यौगिकों का संश्लेषण है।

प्रकाश संश्लेषण के लिए धन्यवाद, दृश्य प्रकाश की ऊर्जा पर कब्जा कर लिया जाता है और प्रकाश संश्लेषण के दौरान बनने वाले कार्बनिक पदार्थों में संग्रहीत (संग्रहित) रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है।

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया की खोज की तिथि 1771 मानी जा सकती है। अंग्रेजी वैज्ञानिक जे। प्रीस्टली ने जानवरों की महत्वपूर्ण गतिविधि के कारण हवा की संरचना में परिवर्तन पर ध्यान आकर्षित किया। हरे पौधों की उपस्थिति में हवा फिर से सांस लेने और जलने के लिए उपयुक्त हो गई। बाद में, कई वैज्ञानिकों (जे. इंगेनहॉस, जे. सेनेबियर, टी. सौसुरे, जे.बी. बौसिंगॉल्ट) के काम ने पाया कि हरे पौधे हवा से CO2 को अवशोषित करते हैं, जिससे प्रकाश में पानी की भागीदारी से कार्बनिक पदार्थ बनते हैं। 1877 में इसी प्रक्रिया को जर्मन वैज्ञानिक डब्ल्यू. फेफर ने प्रकाश संश्लेषण कहा था। प्रकाश संश्लेषण के सार के प्रकटीकरण के लिए आर. मेयर द्वारा प्रतिपादित ऊर्जा संरक्षण के नियम का बहुत महत्व था। 1845 में, आर. मेयर ने इस धारणा को सामने रखा कि पौधों द्वारा उपयोग की जाने वाली ऊर्जा सूर्य की ऊर्जा है, जिसे पौधे प्रकाश संश्लेषण के दौरान रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। उल्लेखनीय रूसी वैज्ञानिक के.ए. के अध्ययन में इस स्थिति को विकसित और प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई थी। तिमिर्याज़ेव।

प्रकाश संश्लेषक जीवों की मुख्य भूमिका:

1) सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा का कार्बनिक यौगिकों के रासायनिक बंधों की ऊर्जा में परिवर्तन;

2) ऑक्सीजन के साथ वातावरण की संतृप्ति;

पृथ्वी पर प्रकाश संश्लेषण के परिणामस्वरूप, 150 बिलियन टन कार्बनिक पदार्थ बनते हैं और प्रति वर्ष लगभग 200 बिलियन टन मुक्त ऑक्सीजन निकलती है। यह वातावरण में CO2 की सांद्रता में वृद्धि को रोकता है, पृथ्वी के अधिक गर्म होने (ग्रीनहाउस प्रभाव) को रोकता है।

प्रकाश संश्लेषण द्वारा निर्मित वातावरण जीवित चीजों को विनाशकारी शॉर्ट-वेव यूवी विकिरण (वायुमंडल की ऑक्सीजन-ओजोन स्क्रीन) से बचाता है।

सौर ऊर्जा का केवल 1-2% कृषि संयंत्रों की फसल में स्थानांतरित किया जाता है, नुकसान प्रकाश के अधूरे अवशोषण के कारण होता है। इसलिए, उच्च प्रकाश संश्लेषक दक्षता वाली किस्मों के चयन, प्रकाश अवशोषण के लिए अनुकूल फसल संरचना के निर्माण के कारण पैदावार बढ़ने की काफी संभावना है। इस संबंध में, प्रकाश संश्लेषण नियंत्रण की सैद्धांतिक नींव का विकास विशेष रूप से जरूरी हो जाता है।

प्रकाश संश्लेषण का महत्व बहुत बड़ा है। आइए बस ध्यान दें कि यह ईंधन (ऊर्जा) और वायुमंडलीय ऑक्सीजन की आपूर्ति करता है, जो सभी जीवित चीजों के अस्तित्व के लिए आवश्यक हैं। अतः प्रकाश संश्लेषण की भूमिका ग्रहीय है।

प्रकाश संश्लेषण की ग्रहीय प्रकृति भी इस तथ्य से निर्धारित होती है कि ऑक्सीजन और कार्बन के संचलन के कारण (मुख्यतः) आधुनिक रचनावातावरण, जो बदले में पृथ्वी पर जीवन के आगे के रखरखाव को निर्धारित करता है। हम आगे कह सकते हैं कि प्रकाश संश्लेषण के उत्पादों में जो ऊर्जा संग्रहीत होती है, वह अनिवार्य रूप से ऊर्जा का मुख्य स्रोत है जो अब मानव जाति के पास है।

प्रकाश संश्लेषण की कुल प्रतिक्रिया

सीओ 2 + एच 2 ओ = (सीएच 2 ओ) + ओ 2 .

प्रकाश संश्लेषण की रसायन शास्त्र निम्नलिखित समीकरणों द्वारा वर्णित है:

प्रकाश संश्लेषण - प्रतिक्रियाओं के 2 समूह:

प्रकाश चरण (निर्भर करता है रोशनी)

डार्क स्टेज (तापमान पर निर्भर करता है)।

प्रतिक्रियाओं के दोनों समूह एक साथ आगे बढ़ते हैं

प्रकाश संश्लेषण हरे पौधों के क्लोरोप्लास्ट में होता है।

प्रकाश संश्लेषण की शुरुआत वर्णक क्लोरोफिल द्वारा प्रकाश के अवशोषण और अवशोषण से होती है, जो हरे पौधों की कोशिकाओं के क्लोरोप्लास्ट में निहित होता है।

यह अणु के अवशोषण स्पेक्ट्रम को स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त है।

क्लोरोफिल अणु बैंगनी और नीले रंग में और फिर स्पेक्ट्रम के लाल हिस्से में फोटॉन को अवशोषित करता है, और स्पेक्ट्रम के हरे और पीले हिस्से में फोटॉन के साथ बातचीत नहीं करता है।

इसलिए, क्लोरोफिल और पौधे हरे दिखते हैं - वे बस हरी किरणों का लाभ नहीं उठा सकते हैं और उन्हें सफेद रोशनी में चलना छोड़ देते हैं (जिससे यह हरा हो जाता है)।

प्रकाश संश्लेषक वर्णक थायलाकोइड झिल्ली के भीतरी भाग में स्थित होते हैं।

वर्णकों को व्यवस्थित किया जाता है फोटो सिस्टम(प्रकाश को पकड़ने के लिए एंटीना क्षेत्र) - विभिन्न वर्णक के 250-400 अणु युक्त।

फोटो सिस्टम में निम्न शामिल हैं:

प्रतिक्रिया केंद्रफोटोसिस्टम (क्लोरोफिल अणु .) ए),

एंटीना अणु

फोटोसिस्टम के सभी वर्णक उत्तेजित अवस्था ऊर्जा को एक दूसरे में स्थानांतरित करने में सक्षम हैं। एक या किसी अन्य वर्णक अणु द्वारा अवशोषित फोटॉन ऊर्जा को प्रतिक्रिया केंद्र तक पहुंचने तक पड़ोसी अणु में स्थानांतरित कर दिया जाता है। जब प्रतिक्रिया केंद्र की अनुनाद प्रणाली उत्तेजित अवस्था में जाती है, तो यह दो उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों को स्वीकर्ता अणु में स्थानांतरित करती है और इस तरह ऑक्सीकरण करती है और एक सकारात्मक चार्ज प्राप्त करती है।

पौधों में:

फोटोसिस्टम 1(700 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर अधिकतम प्रकाश अवशोषण - पी 700)

फोटोसिस्टम 2(680 एनएम के तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश का अधिकतम अवशोषण - पी680

अवशोषण ऑप्टिमा में अंतर पिगमेंट की संरचना में छोटे अंतर के कारण होता है।

दो प्रणालियाँ संयोजन में काम करती हैं, जैसे टू-पीस कन्वेयर जिसे कहा जाता है गैर-चक्रीय फोटोफॉस्फोराइलेशन .

के लिए सारांश समीकरण गैर-चक्रीय फोटोफॉस्फोराइलेशन:

एफ - प्रतीकफॉस्फोरिक एसिड अवशेष

चक्र की शुरुआत फोटोसिस्टम 2 से होती है।

1) एंटीना अणु एक फोटॉन को पकड़ते हैं और उत्तेजना को P680 सक्रिय केंद्र के एक अणु में स्थानांतरित करते हैं;

2) उत्तेजित P680 अणु कोफ़ेक्टर Q को दो इलेक्ट्रॉन देता है, जबकि यह ऑक्सीकृत होता है और एक सकारात्मक चार्ज प्राप्त करता है;

सहायक कारक(कॉफ़ेक्टर)। एंजाइम के ठीक से काम करने के लिए आवश्यक कोएंजाइम या कोई अन्य पदार्थ

कोएंजाइम (कोएंजाइम)[अक्षांश से। सह (सह) - एक साथ और एंजाइम], गैर-प्रोटीन प्रकृति के कार्बनिक यौगिक, एंजाइमी प्रतिक्रिया में व्यक्तिगत परमाणुओं या परमाणु समूहों के स्वीकर्ता के रूप में भाग लेते हैं, जो सब्सट्रेट अणु से एंजाइम द्वारा विभाजित होते हैं, अर्थात। एंजाइमों की उत्प्रेरक क्रिया के कार्यान्वयन के लिए। ये पदार्थ, एंजाइम (एपोएंजाइम) के प्रोटीन घटक के विपरीत, अपेक्षाकृत कम आणविक भार होते हैं और, एक नियम के रूप में, थर्मोस्टेबल होते हैं। कभी-कभी कोएंजाइम का अर्थ किसी भी कम-आणविक पदार्थ से होता है, जिसकी भागीदारी एंजाइम की उत्प्रेरक क्रिया की अभिव्यक्ति के लिए आवश्यक है, उदाहरण के लिए, आयनों सहित। के +, एमजी 2+ और एमएन 2+। प्रस्ताव स्थित हैं। एंजाइम के सक्रिय केंद्र में और सक्रिय केंद्र के सब्सट्रेट और कार्यात्मक समूहों के साथ मिलकर एक सक्रिय परिसर बनाते हैं।

उत्प्रेरक गतिविधि की अभिव्यक्ति के लिए, अधिकांश एंजाइमों को एक कोएंजाइम की उपस्थिति की आवश्यकता होती है। अपवाद हाइड्रोलाइटिक एंजाइम हैं (उदाहरण के लिए, प्रोटीज़, लाइपेस, राइबोन्यूक्लिज़), जो एक कोएंजाइम की अनुपस्थिति में अपना कार्य करते हैं।

अणु P680 (एंजाइमों की क्रिया से) कम हो जाता है। इस मामले में, पानी प्रोटॉन में वियोजित हो जाता है और आणविक ऑक्सीजन,वे। पानी एक इलेक्ट्रॉन दाता है जो पी 680 में इलेक्ट्रॉन पुनःपूर्ति प्रदान करता है।

photolysis पानी- पानी के अणु का टूटना, विशेष रूप से प्रकाश संश्लेषण के दौरान। पानी के फोटोलिसिस के परिणामस्वरूप ऑक्सीजन का निर्माण होता है, जो हरे पौधों द्वारा प्रकाश में छोड़ा जाता है।

प्रकाश संश्लेषण प्रकाश संश्लेषक रंगों की भागीदारी के साथ कार्बनिक पदार्थों के रासायनिक बंधों की ऊर्जा में प्रकाश ऊर्जा के निर्माण के लिए प्रक्रियाओं का एक समूह है।

इस प्रकार का पोषण पौधों, प्रोकैरियोट्स और एककोशिकीय यूकेरियोट्स की कुछ प्रजातियों के लिए विशिष्ट है।

प्राकृतिक संश्लेषण प्रकाश के साथ बातचीत में कार्बन और पानी को ग्लूकोज और मुक्त ऑक्सीजन में परिवर्तित करता है:

6CO2 + 6H2O + प्रकाश ऊर्जा → C6H12O6 + 6O2

आधुनिक पादप शरीर क्रिया विज्ञान प्रकाश संश्लेषण की अवधारणा को एक फोटोऑटोट्रॉफ़िक फ़ंक्शन के रूप में समझता है, जो कार्बन डाइऑक्साइड के कार्बनिक पदार्थों में रूपांतरण सहित विभिन्न गैर-सहज प्रतिक्रियाओं में अवशोषण, परिवर्तन और प्रकाश ऊर्जा के क्वांटा के उपयोग की प्रक्रियाओं का एक संयोजन है।

के चरण

पौधों में प्रकाश संश्लेषण क्लोरोप्लास्ट के माध्यम से पत्तियों में होता है- प्लास्टिड्स के वर्ग से संबंधित अर्ध-स्वायत्त दो-झिल्ली वाले अंग। शीट प्लेटों का सपाट आकार उच्च गुणवत्ता वाले अवशोषण और प्रकाश ऊर्जा और कार्बन डाइऑक्साइड का पूर्ण उपयोग सुनिश्चित करता है। प्राकृतिक संश्लेषण के लिए आवश्यक पानी प्रवाहकीय ऊतक के माध्यम से जड़ों से आता है। गैस विनिमय रंध्र के माध्यम से और आंशिक रूप से छल्ली के माध्यम से प्रसार द्वारा होता है।

क्लोरोप्लास्ट रंगहीन स्ट्रोमा से भरे होते हैं और लैमेली के साथ प्रवेश करते हैं, जो एक दूसरे के साथ मिलकर थायलाकोइड्स बनाते हैं। यह उनमें है कि प्रकाश संश्लेषण होता है। साइनोबैक्टीरिया स्वयं क्लोरोप्लास्ट हैं, इसलिए उनमें प्राकृतिक संश्लेषण के लिए उपकरण एक अलग अंग में पृथक नहीं है।

प्रकाश संश्लेषण होता है वर्णक की भागीदारी के साथ, जो आमतौर पर क्लोरोफिल होते हैं। कुछ जीवों में एक अलग रंगद्रव्य, कैरोटीनॉयड या फाइकोबिलिन होता है। प्रोकैरियोट्स में वर्णक बैक्टीरियोक्लोरोफिल होता है, और ये जीव प्राकृतिक संश्लेषण के पूरा होने पर ऑक्सीजन का उत्सर्जन नहीं करते हैं।

प्रकाश संश्लेषण दो चरणों से होकर गुजरता है - प्रकाश और अंधेरा। उनमें से प्रत्येक को कुछ प्रतिक्रियाओं और अंतःक्रियात्मक पदार्थों की विशेषता है। आइए हम प्रकाश संश्लेषण के चरणों की प्रक्रिया पर अधिक विस्तार से विचार करें।

प्रकाशमान

प्रकाश संश्लेषण का प्रथम चरणउच्च-ऊर्जा उत्पादों के गठन की विशेषता है, जो एटीपी, एक सेलुलर ऊर्जा स्रोत और एनएडीपी, एक कम करने वाला एजेंट है। चरण के अंत में, ऑक्सीजन एक उप-उत्पाद के रूप में उत्पन्न होता है। प्रकाश चरण अनिवार्य रूप से सूर्य के प्रकाश के साथ होता है।

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया थायलाकोइड्स की झिल्लियों में इलेक्ट्रॉन परिवहन प्रोटीन, एटीपी सिंथेटेस और क्लोरोफिल (या अन्य वर्णक) की भागीदारी के साथ होती है।

इलेक्ट्रोकेमिकल सर्किट का कामकाज, जिसके माध्यम से इलेक्ट्रॉनों और आंशिक रूप से हाइड्रोजन प्रोटॉन का स्थानांतरण होता है, वर्णक और एंजाइमों द्वारा गठित जटिल परिसरों में बनता है।

प्रकाश चरण प्रक्रिया विवरण:

1. जब सूर्य का प्रकाश पौधों के जीवों की पत्ती प्लेटों से टकराता है, तो प्लेटों की संरचना में क्लोरोफिल इलेक्ट्रॉन उत्तेजित हो जाते हैं;
2. सक्रिय अवस्था में, कण वर्णक अणु को छोड़ देते हैं और थायलाकोइड के नकारात्मक रूप से आवेशित बाहरी तरफ गिर जाते हैं। यह एक साथ ऑक्सीकरण और क्लोरोफिल अणुओं के बाद में कमी के साथ होता है, जो पत्तियों में प्रवेश करने वाले पानी से अगले इलेक्ट्रॉनों को हटा देता है;
3. फिर आयनों के निर्माण के साथ पानी का फोटोलिसिस होता है, जो इलेक्ट्रॉनों को दान करते हैं और ओएच रेडिकल में परिवर्तित हो जाते हैं जो भविष्य में प्रतिक्रियाओं में भाग ले सकते हैं;
4. फिर ये रेडिकल मिलकर पानी के अणु और मुक्त ऑक्सीजन बनाते हैं, जो वायुमंडल में छोड़ा जाता है;
5. थायलाकोइड झिल्ली एक तरफ हाइड्रोजन आयन के कारण एक सकारात्मक चार्ज प्राप्त करती है, और दूसरी तरफ - इलेक्ट्रॉनों के कारण नकारात्मक;
6. जब झिल्ली के किनारों के बीच 200 mV का अंतर हो जाता है, तो प्रोटॉन एंजाइम ATP सिंथेटेस से गुजरते हैं, जो ADP को ATP (फॉस्फोराइलेशन प्रक्रिया) में परिवर्तित करता है;
7. पानी से निकलने वाले परमाणु हाइड्रोजन के साथ, NADP + NADPH2 तक कम हो जाता है;

जबकि प्रतिक्रियाओं के दौरान मुक्त ऑक्सीजन वातावरण में छोड़ी जाती है, एटीपी और एनएडीपीएच 2 प्राकृतिक संश्लेषण के अंधेरे चरण में भाग लेते हैं।

अंधेरा

इस चरण के लिए एक अनिवार्य घटक कार्बन डाइऑक्साइड है।जो पौधे बाहरी वातावरण से पत्तियों में रंध्रों के माध्यम से लगातार अवशोषित करते हैं। डार्क फेज की प्रक्रिया क्लोरोप्लास्ट स्ट्रोमा में होती है। चूंकि इस स्तर पर बहुत अधिक सौर ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती है और प्रकाश चरण के दौरान पर्याप्त एटीपी और एनएडीपीएच 2 का उत्पादन होगा, जीवों में प्रतिक्रियाएं दिन और रात दोनों समय आगे बढ़ सकती हैं। इस स्तर पर प्रक्रियाएं पिछले एक की तुलना में तेज हैं।

अंधेरे चरण में होने वाली सभी प्रक्रियाओं की समग्रता बाहरी वातावरण से प्राप्त कार्बन डाइऑक्साइड के क्रमिक परिवर्तनों की एक प्रकार की श्रृंखला के रूप में प्रस्तुत की जाती है:

1. ऐसी श्रृंखला में पहली प्रतिक्रिया कार्बन डाइऑक्साइड स्थिरीकरण है। एंजाइम RuBP-carboxylase की उपस्थिति प्रतिक्रिया के तेज और सुचारू पाठ्यक्रम में योगदान करती है, जिसके परिणामस्वरूप एक छह-कार्बन यौगिक बनता है, जो फॉस्फोग्लिसरिक एसिड के 2 अणुओं में विघटित हो जाता है;
2. फिर एक निश्चित संख्या में प्रतिक्रियाओं सहित एक जटिल चक्र होता है, जिसके अंत में फॉस्फोग्लिसरिक एसिड एक प्राकृतिक चीनी - ग्लूकोज में परिवर्तित हो जाता है। इस प्रक्रिया को केल्विन चक्र कहा जाता है;

चीनी के साथ-साथ फैटी एसिड, अमीनो एसिड, ग्लिसरॉल और न्यूक्लियोटाइड भी बनते हैं।

प्रकाश संश्लेषण का सार

प्राकृतिक संश्लेषण के प्रकाश और अंधेरे चरणों की तुलना की तालिका से, आप उनमें से प्रत्येक के सार का संक्षेप में वर्णन कर सकते हैं। प्रतिक्रियाओं में प्रकाश ऊर्जा के अनिवार्य समावेश के साथ क्लोरोप्लास्ट अनाज में प्रकाश चरण होता है। प्रतिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर प्रोटीन, एटीपी सिंथेटेस और क्लोरोफिल जैसे घटक शामिल होते हैं, जो पानी के साथ बातचीत करते समय मुक्त ऑक्सीजन, एटीपी और एनएडीपीएच 2 बनाते हैं। क्लोरोप्लास्ट स्ट्रोमा में होने वाली अंधेरी अवस्था के लिए सूर्य के प्रकाश की आवश्यकता नहीं होती है। अंतिम चरण में प्राप्त एटीपी और एनएडीपीएच 2, कार्बन डाइऑक्साइड के साथ बातचीत करते समय, प्राकृतिक शर्करा (ग्लूकोज) बनाते हैं।

जैसा कि ऊपर से देखा जा सकता है, प्रकाश संश्लेषण एक जटिल और बहु-चरणीय घटना प्रतीत होती है, जिसमें कई प्रतिक्रियाएं शामिल हैं जिनमें विभिन्न पदार्थ शामिल होते हैं। प्राकृतिक संश्लेषण के परिणामस्वरूप, ऑक्सीजन प्राप्त होती है, जो जीवित जीवों के श्वसन और ओजोन परत के गठन के माध्यम से पराबैंगनी विकिरण से उनकी सुरक्षा के लिए आवश्यक है।

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कार्य:प्लास्टिक और ऊर्जा चयापचय की प्रतिक्रियाओं और उनके संबंधों के बारे में ज्ञान तैयार करना; क्लोरोप्लास्ट की संरचनात्मक विशेषताओं को याद रखें। प्रकाश-संश्लेषण की प्रकाश और अन्धकार की अवस्थाओं का वर्णन करना। प्रकाश संश्लेषण के महत्व को एक प्रक्रिया के रूप में दिखाएं जो कार्बनिक पदार्थों के संश्लेषण, कार्बन डाइऑक्साइड के अवशोषण और वातावरण में ऑक्सीजन की रिहाई को सुनिश्चित करता है।

पाठ प्रकार:भाषण।

उपकरण:

1. दृश्य एड्स: सामान्य जीव विज्ञान पर टेबल;
2. टीएसओ: कंप्यूटर; मल्टीमीडिया प्रोजेक्टर।

व्याख्यान योजना:

1. प्रक्रिया के अध्ययन का इतिहास।
2. प्रकाश संश्लेषण पर प्रयोग।
3. एक उपचय प्रक्रिया के रूप में प्रकाश संश्लेषण।
4. क्लोरोफिल और उसके गुण।
5. फोटो सिस्टम।
6. प्रकाश संश्लेषण का प्रकाश चरण।
7. प्रकाश संश्लेषण का काला चरण।
8. प्रकाश संश्लेषण के सीमित कारक।

व्याख्यान प्रगति

प्रकाश संश्लेषण के अध्ययन का इतिहास

1630 वर्ष प्रकाश संश्लेषण के अध्ययन की शुरुआत ... वैन हेल्मोंटेसाबित कर दिया कि पौधे कार्बनिक पदार्थ बनाते हैं, और उन्हें मिट्टी से नहीं मिलता है। मिट्टी और विलो के साथ एक बर्तन का वजन, और पेड़ को अलग से, उसने दिखाया कि 5 साल बाद पेड़ का वजन 74 किलो बढ़ गया, जबकि मिट्टी केवल 57 ग्राम खो गई। उसने फैसला किया कि पेड़ को अपना भोजन पानी से मिलता है। वर्तमान में हम जानते हैं कि कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग किया जाता है।

वी 1804 सॉसरपाया कि प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में पानी का महत्व बहुत अधिक है।

वी 1887 वर्षरसायन संश्लेषी जीवाणु खोजे जाते हैं।

वी 1905 ब्लैकमैनपाया गया कि प्रकाश संश्लेषण में दो चरण होते हैं: तेज - प्रकाश और अंधेरे चरण की क्रमिक धीमी प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला।

प्रकाश संश्लेषण पर प्रयोग

1 अनुभव सूर्य के प्रकाश के मूल्य को सिद्ध करता है (अंजीर। 1.)	2 का अनुभव प्रकाश संश्लेषण के लिए कार्बन डाइऑक्साइड के महत्व को साबित करता है (चित्र 2.)
3 अनुभव प्रकाश संश्लेषण के महत्व को साबित करता है (चित्र 3.)

एक उपचय प्रक्रिया के रूप में प्रकाश संश्लेषण

1. प्रकाश संश्लेषण सालाना 150 अरब टन कार्बनिक पदार्थ और 200 अरब टन मुक्त ऑक्सीजन पैदा करता है।
2. प्रकाश संश्लेषण में शामिल ऑक्सीजन, कार्बन और अन्य तत्वों का चक्र। अस्तित्व के लिए आवश्यक आधुनिक वातावरण का समर्थन करता है आधुनिक रूपजिंदगी।
3. प्रकाश संश्लेषण कार्बन डाइऑक्साइड की सांद्रता में वृद्धि को रोकता है, जिससे ग्रीनहाउस प्रभाव के कारण पृथ्वी को गर्म होने से रोका जा सकता है।
4. प्रकाश संश्लेषण पृथ्वी पर सभी खाद्य श्रृंखलाओं का आधार है।
5. भोजन में संचित ऊर्जा मानवता के लिए ऊर्जा का मुख्य स्रोत है।

प्रकाश संश्लेषण का सारइसमें सूर्य की किरण की प्रकाश ऊर्जा को एटीपी और एनएडीपीएच 2 के रूप में रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करना शामिल है।

प्रकाश संश्लेषण का समग्र समीकरण:

6CO 2 + 6H 2 O→सी 6 एच 12 ओ 6 + 6ओ 2

प्रकाश संश्लेषण के दो मुख्य प्रकार हैं:

क्लोरोफिल और उसके गुण

क्लोरोफिल प्रजाति

क्लोरोफिल में ए, बी, सी, डी संशोधन होते हैं। वे संरचनात्मक संरचना और प्रकाश अवशोषण स्पेक्ट्रम में भिन्न हैं। उदाहरण के लिए: क्लोरोफिल बी में क्लोरोफिल ए की तुलना में एक अधिक ऑक्सीजन परमाणु और दो कम हाइड्रोजन परमाणु होते हैं।

सभी पौधों और ऑक्सीफोटोबैक्टीरिया में पीले-हरे रंग का क्लोरोफिल ए मुख्य वर्णक के रूप में होता है, और क्लोरोफिल बी एक अतिरिक्त वर्णक के रूप में होता है।

अन्य पौधे वर्णक

कुछ अन्य वर्णक सौर ऊर्जा को अवशोषित करने और इसे क्लोरोफिल में स्थानांतरित करने में सक्षम होते हैं, जिससे यह प्रकाश संश्लेषण में शामिल होता है।

अधिकांश पौधों में गहरे नारंगी रंग का वर्णक होता है - कैरोटीन, जो पशु के शरीर में विटामिन ए और पीले रंगद्रव्य में बदल जाता है - ज़ैंथोफिल.

फाइकोसाइनिनतथा फाइकोएरिथ्रिन- लाल और नीले-हरे शैवाल होते हैं। लाल शैवाल में, ये वर्णक क्लोरोफिल की तुलना में प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में अधिक सक्रिय रूप से शामिल होते हैं।

क्लोरोफिल स्पेक्ट्रम के नीले-हरे हिस्से में प्रकाश को न्यूनतम रूप से अवशोषित करता है। क्लोरोफिल ए, बी - स्पेक्ट्रम के बैंगनी क्षेत्र में, जहां तरंग दैर्ध्य 440 एनएम है। क्लोरोफिल का अनूठा कार्यइस तथ्य में शामिल है कि यह सौर ऊर्जा को गहन रूप से अवशोषित करता है और इसे अन्य अणुओं में स्थानांतरित करता है।

वर्णक एक निश्चित तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करते हैं, सौर स्पेक्ट्रम के गैर-अवशोषित हिस्से परिलक्षित होते हैं, जो वर्णक के रंग को सुनिश्चित करता है। हरा प्रकाश अवशोषित नहीं होता है, इसलिए क्लोरोफिल हरा होता है।

पिग्मेंट्सरासायनिक यौगिक हैं जो दृश्य प्रकाश को अवशोषित करते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन उत्तेजित हो जाते हैं। तरंग दैर्ध्य जितना छोटा होगा, प्रकाश की ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी और इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित अवस्था में स्थानांतरित करने की उसकी क्षमता उतनी ही अधिक होगी। यह अवस्था अस्थिर होती है और जल्द ही पूरा अणु अपनी सामान्य निम्न-ऊर्जा अवस्था में लौट आता है, अपनी उत्तेजना ऊर्जा खो देता है। इस ऊर्जा का उपयोग प्रतिदीप्ति के लिए किया जा सकता है।

फोटो सिस्टम

प्रकाश संश्लेषण में भाग लेने वाले पौधों के वर्णक क्लोरोप्लास्ट थायलाकोइड्स में कार्यात्मक प्रकाश संश्लेषक इकाइयों - प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों: फोटोसिस्टम I और फोटोसिस्टम II के रूप में "पैक" होते हैं।

प्रत्येक प्रणाली में सहायक पिगमेंट (250 से 400 अणुओं से) का एक सेट होता है जो ऊर्जा को मुख्य वर्णक के एक अणु में स्थानांतरित करता है और इसे कहा जाता है प्रतिक्रियावादी केंद्र... यह प्रकाश रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए सूर्य की ऊर्जा का उपयोग करता है।

प्रकाश चरण आवश्यक रूप से प्रकाश की भागीदारी के साथ होता है, अंधेरा चरण प्रकाश और अंधेरे दोनों में होता है। प्रकाश की प्रक्रिया क्लोरोप्लास्ट के थायलाकोइड्स में होती है, डार्क प्रक्रिया स्ट्रोमा में होती है, अर्थात। इन प्रक्रियाओं को स्थानिक रूप से अलग किया जाता है।

प्रकाश संश्लेषण की प्रकाश प्रावस्था

वी 1958 अर्नोनऔर उनके सहयोगियों ने प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि प्रकाश संश्लेषण के दौरान ऊर्जा का स्रोत प्रकाश है, और चूंकि क्लोरोफिल क्लोरोफिल में प्रकाश के संपर्क में है, एडीपी + पीएच से संश्लेषण। → एटीपी, तो इस प्रक्रिया को कहा जाता है फास्फोरिलीकरण।यह झिल्लियों में इलेक्ट्रॉनों के स्थानांतरण से जुड़ा है।

प्रकाश प्रतिक्रियाओं की भूमिका: 1. एटीपी संश्लेषण - फास्फारिलीकरण। 2. NADP.H का संश्लेषण 2.

इलेक्ट्रॉन परिवहन पथ कहलाता है जेड-योजना।

जेड-आरेख। गैर-चक्रीय और चक्रीय फोटोफॉस्फोराइलेशन(अंजीर। 6.)

इलेक्ट्रॉनों के चक्रीय परिवहन के दौरान, एनएडीपीएच 2 का निर्माण और एच 2 ओ का फोटोडीकम्पोज़िशन नहीं होता है, और इसलिए ओ 2 की रिहाई होती है। सेल में NADPH 2 की अधिकता होने पर इस मार्ग का उपयोग किया जाता है, लेकिन अतिरिक्त ATP की आवश्यकता होती है।

ये सभी प्रक्रियाएं प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण से संबंधित हैं। इसके बाद, ग्लूकोज के संश्लेषण के लिए एटीपी और एनएडीपी.एच 2 की ऊर्जा का उपयोग किया जाता है। इस प्रक्रिया के लिए किसी प्रकाश की आवश्यकता नहीं होती है। ये प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरण की प्रतिक्रियाएं हैं।

प्रकाश संश्लेषण या केल्विन चक्र का काला चरण

ग्लूकोज का संश्लेषण एक चक्रीय प्रक्रिया में होता है, जिसका नाम वैज्ञानिक मेल्विन केल्विन के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने इसकी खोज की थी और उन्हें नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

चावल। 8. केल्विन चक्र

केल्विन चक्र की प्रत्येक प्रतिक्रिया एक अलग एंजाइम द्वारा की जाती है। ग्लूकोज के निर्माण के लिए उपयोग किया जाता है: CO 2, NADP.H 2 से प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन, ATP और NADP.H 2 की ऊर्जा। प्रक्रिया क्लोरोप्लास्ट स्ट्रोमा में होती है। केल्विन चक्र का प्रारंभिक और अंतिम यौगिक, जिसमें एक एंजाइम की सहायता से राइबुलोज डाइफॉस्फेट कार्बोक्सिलेज CO2 से जुड़ता है, एक पाँच कार्बन वाली चीनी है - राइबुलोज बाइफॉस्फेटजिसमें दो फॉस्फेट समूह होते हैं। नतीजतन, एक छह-कार्बन यौगिक बनता है, जो तुरंत दो तीन-कार्बन अणुओं में बदल जाता है फॉस्फोग्लिसरिक एसिडजो फिर बहाल कर दिए जाते हैं फॉस्फोग्लिसरॉल एल्डिहाइड... उसी समय, गठित फॉस्फोग्लिसरिक एल्डिहाइड के हिस्से का उपयोग राइबुलोज बाइफॉस्फेट के पुनर्जनन के लिए किया जाता है, और इस प्रकार चक्र फिर से शुरू होता है (5C 3 → 3C 5), और भाग का उपयोग ग्लूकोज और अन्य कार्बनिक यौगिकों (2C 3) के संश्लेषण के लिए किया जाता है। → सी 6 → सी 6 एच 12 ओ 6)।

एक ग्लूकोज अणु के निर्माण के लिए, चक्र के 6 चक्कर लगाने पड़ते हैं और 12 NADP.H 2 और 18 ATP की आवश्यकता होती है। कुल प्रतिक्रिया समीकरण से यह प्राप्त होता है:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

उपरोक्त समीकरण से, यह देखा जा सकता है कि सी और ओ परमाणु सीओ 2 से ग्लूकोज में प्रवेश करते हैं, और एच 2 ओ से हाइड्रोजन परमाणु। बाद में ग्लूकोज का उपयोग जटिल कार्बोहाइड्रेट (सेलूलोज़, स्टार्च) के संश्लेषण और गठन के लिए दोनों के लिए किया जा सकता है। प्रोटीन और लिपिड।

(सी 4 - प्रकाश संश्लेषण। 1 9 65 में यह साबित हुआ कि गन्ना में - प्रकाश संश्लेषण के पहले उत्पाद चार कार्बन परमाणु (मैलिक, ऑक्सालोएसेटिक, एसपारटिक) युक्त एसिड होते हैं। सी 4 पौधों में मक्का, शर्बत, बाजरा शामिल हैं)।

प्रकाश संश्लेषण के सीमित कारक

प्रकाश संश्लेषण की दर सबसे अधिक होती है महत्वपूर्ण कारककृषि फसलों की उपज को प्रभावित कर रहा है। तो, प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरणों के लिए, NADP.H 2 और ATP की आवश्यकता होती है, और इसलिए अंधेरे प्रतिक्रियाओं की दर प्रकाश प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करती है। कम रोशनी में कार्बनिक पदार्थों के बनने की दर कम होगी। इसलिए, प्रकाश सीमित कारक है।

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया को एक साथ प्रभावित करने वाले सभी कारकों में से सीमितएक होगा जो न्यूनतम स्तर के करीब है। यह स्थापित 1905 में ब्लैकमैन... विभिन्न कारक सीमित हो सकते हैं, लेकिन उनमें से एक मुख्य है।

पौधों की ब्रह्मांडीय भूमिका(वर्णित के ए तिमिर्याज़ेव) इस तथ्य में निहित है कि पौधे एकमात्र ऐसे जीव हैं जो सौर ऊर्जा को आत्मसात करते हैं और इसे कार्बनिक यौगिकों की संभावित रासायनिक ऊर्जा के रूप में जमा करते हैं। जारी ओ 2 सभी एरोबिक जीवों की महत्वपूर्ण गतिविधि का समर्थन करता है। ओजोन ऑक्सीजन से बनती है, जो सभी जीवित चीजों को पराबैंगनी किरणों से बचाती है। पौधों ने वातावरण से भारी मात्रा में CO2 का उपयोग किया, जिसकी अधिकता ने "ग्रीनहाउस प्रभाव" पैदा किया, और ग्रह का तापमान अपने वर्तमान मूल्यों तक गिर गया।