Photosynthesis

פוטוסינתזה (בעבר נעשה שימוש בשם העברי הטמעה), תהליך המתרחש בתאים שיש בהם כלורופיל , דהיינו תאי הצמחים הירוקים. בתהליך זה מיוצרות פחמימות מפחמן דו-חמצני וממימן שמקורו לרוב במים, תוך ניצול אנרגיית השמש. הוא מתנהל בעיקר באברוני התא הקרויים כלורופלסטים .

בפוטוסינתזה מייצרים האורגניזמים בעלי הצבען המתאים את הפחמימנים, כמתואר בנוסחה הכללית:

http://www.ynet.co.il/PicServer2/03072003/332392/aa_o.gif

שבה הופכות מולקולות פחמן דו-חמצני ומים, בנוכחות אור (γ), למולקולות של גלוקוזה וחמצן.

נוסחה זו מתארת, באופן כללי ביותר, מערכת מורכבת מאוד של תהליכים. חלקם מתרחשים ביום, משום שדרוש להם אור; אחרים, המכונים "תהליכי חושך", אינם זקוקים לאור. הם צורכים את מה שנוצר בתהליכי האור, ויכולים להתרחש ביום או בלילה. התהליכים שאינם מצריכים אור מזורזים עם עליית מידות החום, אך לא מעבר ל-30º; מידות חום גבוהות יותר פוגעות באנזימים המזרזים תהליכים אלה וגורמים לעיכובם. בתהליך האור נקלטת אנרגיית האור ומושקעת באט"פ ובאד"פ . בתהליכי החושך משמשים החומרים אוגרי האנרגיה של שלב האור לחיזור הפחמן הדו-חמצני הדרוש ליצירת סוכר , שהוא חומר יסוד למוצרים כימיים אחרים של האורגניזם המטמיע. תהליך זה של הפיכת פחמן דו-חמצני לחומרים אורגניים שונים מכונה קיבוע פחמן.

קליטת CO2 נעשית בצמחים עילאיים דרך הפיוניות . באצות , בכחוליות ובחיידקים משמש להטמעה CO2 מומס במים. קליטת האור היא השלב הראשון בהפיכת אנרגיית האור לאנרגיה כימית. הצבען (פיגמנט) הוא חומר הקולט אור נראה. יש צבענים הקולטים אור בכל אורכי הגל, ולכן הם נראים שחורים; אחרים קולטים רק אורך גל מסוים, ומחזירים את האור שאינם קולטים. הכלורופיל קולט אור באורכי הגל של סגול, כחול ואדום, ומחזיר אור ירוק. לכן האיברים שבהם הוא נמצא נראים ירוקים.

בליעת האור המפעילה את תהליכי הפוטוסינתזה נעשית באמצעות הכלורופיל. רק כאשר יש לכלורופיל קשר עם חלבוני התא, הוא יכול לשמש להפיכת אנרגיית האור לאנרגיה כימית. הצבענים הפעילים בפוטוסינתזה, נוסף על הכלורופיל, הם קרוטנואידים ופיקובילים. לקרוטנואידים צבע אדום, כתום או צהוב, והכלורופיל מסתיר אותם בעלים. עם הזדקנות העלה ולקראת נשירתו, כאשר נהרס הכלורופיל, מתגלים צבעים אלה. באצות אדומיות וחומיות ובכחוליות, האור הפעיל בפוטוסינתזה הוא בתחום אורכי הגל של ירוק, צהוב וכתום, ותואם את תחומי בליעת האור של הצבענים המצויים בהם: פיקו-ציאנין שצבעו כחול ופיקו-אריתרין שצבעו אדום.

הכלורופיל נמצא בכלורופלסטים, שבתוכם מתרחשת הפוטוסינתזה ומהם מופרשים מוצריה לציטופלסמה של התא. בשל יכולתו של הכלורופיל להפוך את אנרגיית האור שקלט לאנרגיה כימית, הוא מסייע לפירוק מולקולות מים למרכיביהן: החמצן משתחרר מהמים שפורקו אל סביבת האורגניזם המטמיע ומשמש לנשימתו שלו, או נפלט לאטמוספירה שם נושמים אותו יצורים אחרים. המימן שהשתחרר מפירוק המים מועבר אל מולקולות אורגניות שיש בהן זרחן ונאד"פ . אלה מעבירות את המימן שב-NADPH2 לפחמן דו-חמצני, ובתהליך מורכב (קיבוע הפחנן) נוצרת מולקולת סוכר. את האנרגיה הנדרשת לתהליך זה מספקות מולקולות אט"פ שעלו לרמת אנרגיה גבוהה מזו של אד"פ. זה משחרר אנרגיה המאפשרת קיומם של תהליכים אלה גם בחושך מלא. סיכומו של תהליך הפוטוסינתזה, כפי שהוא נעשה בעזרת החומרים הזרחניים השונים, הוא:

http://www.ynet.co.il/PicServer/141002/220635/a.gif

במנגנון משתתפת גם תרכובת תלת-פחמנית (הקרויה גליצראלדהיד טריפוספט, PGA) ועל כן מכונה המסלול כולו C3. מנגנון פוטוסינתזה אחר קרוי C4, משום שמוצרי הפוטוסינתזה הראשוניים הנוצרים בו הם חומצות אורגניות בעלות ארבעה פחמנים. קישור פחמן דו-חמצני אגב יצירת PGA נעשה בצמחי C4 בחלק פנימי של העלה, סביב צרורות הצינורות. תהליך קשירתה של אנרגיית האור בתאים שיש בהם כלורופיל, ותהליך יצירת הסוכרים, נעשים במקום אחר. צמחי C4 גדלים לרוב באזורים חמים ובקרקעות עשירות במלחים.

מנגנון פוטוסינתזה מיוחד, הקרוי crassulacean acid metabolism, ובקיצור CAM, מצוי בצמחים בשרניים רבים. במנגנון זה נקלט CO2 מהאוויר ונקשר בשעות הלילה לחומצות שבצמח. החומצות מתפרקות בשעות היום ומשחררות CO2 למנגנון הפוטוסינתזה הרגיל. CO2 זה כבר נמצא בתוך הרקמה, ולכן אין צורך בפתיחת הפיוניות לקליטתו בשעות היום החמות. פתיחת הפיוניות בשעות הלילה הקרירות והלחות מאפשרת הפסדי מים מזעריים. צמחים בשרניים ממשפחות האסקלפיים והצבריים יכולים לשרוד במשך שנה ויותר גם אם לא יקבלו מים. הם ישובו לפעילות רגילה אם יישתלו בקרקע לחה.

עוד חומר :

http://singalovski.ort.org.il/Databases/Biology/Food/Lessons/photosinteza.html

www.rabin-ks.org.il/biology/photo3.htm

http://gifted.snunit.k12.il/activities/light/photo.html