การสังเคราะห์ด้วยแสงเรียกอีกอย่างว่า กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงในใบพืช

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการสร้างสารอินทรีย์ในพืชสีเขียว การสังเคราะห์ด้วยแสงสร้างมวลพืชทั้งหมดบนโลกและทำให้บรรยากาศอิ่มตัวด้วยออกซิเจน

พืชให้อาหารอย่างไร?

ก่อนหน้านี้ผู้คนแน่ใจว่าพืชนำสารอาหารทั้งหมดมาจากดิน แต่ประสบการณ์หนึ่งแสดงให้เห็นว่าไม่เป็นเช่นนั้น

ต้นไม้ต้นหนึ่งถูกปลูกไว้ในกระถางดิน ในเวลาเดียวกันก็วัดมวลของทั้งโลกและต้นไม้ ไม่กี่ปีต่อมา เมื่อทั้งสองชั่งน้ำหนักอีกครั้ง ปรากฎว่ามวลของโลกลดลงเพียงไม่กี่กรัม และมวลของพืชเพิ่มขึ้นหลายกิโลกรัม

เติมน้ำลงในดินเท่านั้น มวลพืชกิโลกรัมเหล่านี้มาจากไหน?

จากทางอากาศ อินทรียวัตถุทั้งหมดในพืชถูกสร้างขึ้นจากคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศและน้ำในดิน

บทความ 2 อันดับแรกที่กำลังอ่านเรื่องนี้อยู่ด้วย

พลังงาน

สัตว์และมนุษย์กินพืชเพื่อให้ได้พลังงานตลอดชีวิต พลังงานนี้มีอยู่ในพันธะเคมีของสารอินทรีย์ เธอมาจากไหน?

เป็นที่รู้กันว่าพืชไม่สามารถเติบโตได้ตามปกติหากไม่มีแสงสว่าง แสงคือพลังงานที่พืชใช้สร้างสารอินทรีย์ในร่างกาย

ไม่สำคัญว่าจะเป็นแสงประเภทใด แสงอาทิตย์หรือไฟฟ้า รังสีแสงใดๆ ก็ตามนำพลังงานซึ่งกลายเป็นพลังงานของพันธะเคมี และกักเก็บอะตอมไว้ในโมเลกุลขนาดใหญ่ของสารอินทรีย์ เช่นเดียวกับกาว

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นที่ไหน?

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นเฉพาะในส่วนสีเขียวของพืชหรืออย่างแม่นยำมากขึ้นในอวัยวะพิเศษของเซลล์พืช - คลอโรพลาสต์

ข้าว. 1. คลอโรพลาสต์ใต้กล้องจุลทรรศน์

คลอโรพลาสต์เป็นพลาสติดชนิดหนึ่ง พวกมันจะมีสีเขียวอยู่เสมอเพราะมีสารสีเขียว - คลอโรฟิลล์

คลอโรพลาสต์ถูกแยกออกจากส่วนที่เหลือของเซลล์ด้วยเมมเบรน และมีลักษณะเป็นเมล็ดข้าว ภายในของคลอโรพลาสต์เรียกว่าสโตรมา นี่คือจุดเริ่มต้นของกระบวนการสังเคราะห์แสง

ข้าว. 2. โครงสร้างภายในของคลอโรพลาสต์

คลอโรพลาสเปรียบเสมือนโรงงานที่ได้รับวัตถุดิบ:

• คาร์บอนไดออกไซด์ (สูตร – CO₂);
• น้ำ (H₂O)

น้ำมาจากราก และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาจากชั้นบรรยากาศผ่านรูพิเศษบนใบ แสงเป็นพลังงานในการดำเนินงานของโรงงานและสารอินทรีย์ที่เกิดขึ้นคือผลิตภัณฑ์

ประการแรก คาร์โบไฮเดรต (กลูโคส) ถูกสร้างขึ้น แต่ต่อมาก็ก่อให้เกิดสารต่างๆ ที่มีกลิ่นและรสชาติต่างๆ ที่สัตว์และผู้คนชื่นชอบมาก

จากคลอโรพลาสต์ สารที่ได้จะถูกส่งไปยังอวัยวะต่างๆ ของพืช ซึ่งเป็นที่จัดเก็บหรือใช้

ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสง

โดยทั่วไป สมการการสังเคราะห์ด้วยแสงมีลักษณะดังนี้:

CO₂ + H₂O = อินทรียวัตถุ + O₂ (ออกซิเจน)

พืชสีเขียวอยู่ในกลุ่มออโตโทรฟ (แปลว่า "ฉันเลี้ยงตัวเอง") - สิ่งมีชีวิตที่ไม่ต้องการสิ่งมีชีวิตอื่นเพื่อรับพลังงาน

หน้าที่หลักของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการสร้างสารอินทรีย์ที่ใช้สร้างร่างกายพืช

การปล่อยออกซิเจนเป็นผลข้างเคียงของกระบวนการนี้

ความหมายของการสังเคราะห์ด้วยแสง

บทบาทของการสังเคราะห์ด้วยแสงในธรรมชาติมีขนาดใหญ่มาก ต้องขอบคุณเขาที่ทำให้โลกของพืชทั้งโลกได้ถูกสร้างขึ้น

ข้าว. 3. การสังเคราะห์ด้วยแสง

ต้องขอบคุณการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช:

• เป็นแหล่งออกซิเจนสำหรับบรรยากาศ
• แปลงพลังงานจากดวงอาทิตย์ให้อยู่ในรูปแบบที่สัตว์และมนุษย์สามารถเข้าถึงได้

สิ่งมีชีวิตบนโลกเกิดขึ้นได้ด้วยการสะสมออกซิเจนในชั้นบรรยากาศอย่างเพียงพอ ทั้งมนุษย์และสัตว์ไม่สามารถมีชีวิตอยู่ในช่วงเวลาอันห่างไกลเมื่อเขาไม่อยู่ที่นั่น หรือมีอยู่เพียงเล็กน้อย

วิทยาศาสตร์ใดศึกษากระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง?

การสังเคราะห์ด้วยแสงได้รับการศึกษาในศาสตร์ต่างๆ แต่ที่สำคัญที่สุดคืออยู่ในพฤกษศาสตร์และสรีรวิทยาของพืช

พฤกษศาสตร์เป็นศาสตร์แห่งพืชและดังนั้นจึงศึกษาเรื่องนี้ว่าเป็นกระบวนการชีวิตที่สำคัญของพืช

สรีรวิทยาของพืชศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสงอย่างละเอียดที่สุด นักวิทยาศาสตร์ทางสรีรวิทยาระบุว่ากระบวนการนี้ซับซ้อนและมีขั้นตอน:

• แสงสว่าง;
• มืด

ซึ่งหมายความว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มต้นในแสงสว่าง แต่สิ้นสุดในความมืด

เราได้เรียนรู้อะไรบ้าง?

เมื่อศึกษาหัวข้อนี้ในชีววิทยาระดับ 5 แล้ว คุณสามารถอธิบายการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยย่อและชัดเจนเป็นกระบวนการก่อตัวในพืชที่มีสารอินทรีย์จากสารอนินทรีย์ (CO₂และH₂O) คุณสมบัติ: เกิดขึ้นในพลาสติดสีเขียว (คลอโรพลาสต์) พร้อมด้วยการปล่อยออกซิเจนและดำเนินการภายใต้อิทธิพลของแสง

ทดสอบในหัวข้อ

การประเมินผลการรายงาน

คะแนนเฉลี่ย: 4.5. คะแนนรวมที่ได้รับ: 793

การสังเคราะห์แสง
การก่อตัวของสารอินทรีย์เช่นน้ำตาลและแป้งจากเซลล์พืชที่มีชีวิตจากสารอนินทรีย์ - จากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ - โดยใช้พลังงานแสงที่ถูกดูดซับโดยเม็ดสีพืช เป็นกระบวนการผลิตอาหารที่สิ่งมีชีวิตทั้งพืช สัตว์ และมนุษย์ต้องพึ่งพา พืชบกและพืชน้ำส่วนใหญ่ปล่อยออกซิเจนในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง อย่างไรก็ตาม สิ่งมีชีวิตบางชนิดมีลักษณะพิเศษคือการสังเคราะห์ด้วยแสงประเภทอื่นๆ ที่เกิดขึ้นโดยปราศจากการปล่อยออกซิเจน ปฏิกิริยาหลักของการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งเกิดขึ้นจากการปล่อยออกซิเจนสามารถเขียนได้ในรูปแบบต่อไปนี้:

สารอินทรีย์รวมถึงสารประกอบคาร์บอนทั้งหมด ยกเว้นออกไซด์และไนไตรด์ สารอินทรีย์ที่ผลิตได้มากที่สุดในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง ได้แก่ คาร์โบไฮเดรต (โดยหลักคือน้ำตาลและแป้ง) กรดอะมิโน (ซึ่งเป็นที่มาของโปรตีน) และสุดท้ายคือกรดไขมัน (ซึ่งเมื่อใช้ร่วมกับกลีเซอโรฟอสเฟต จะทำหน้าที่เป็นวัสดุในการสังเคราะห์ไขมัน) . สำหรับสารอนินทรีย์ การสังเคราะห์สารประกอบเหล่านี้ทั้งหมดต้องใช้น้ำ (H2O) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) กรดอะมิโนยังต้องการไนโตรเจนและซัลเฟอร์ พืชสามารถดูดซับธาตุเหล่านี้ได้ในรูปของออกไซด์ ไนเตรต (NO3-) และซัลเฟต (SO42-) หรือในรูปแบบรีดิวซ์อื่นๆ เช่น แอมโมเนีย (NH3) หรือไฮโดรเจนซัลไฟด์ (ไฮโดรเจนซัลไฟด์ H2S) องค์ประกอบของสารประกอบอินทรีย์อาจรวมถึงฟอสฟอรัสในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง (พืชดูดซับในรูปของฟอสเฟต) และไอออนของโลหะ - เหล็กและแมกนีเซียม แมงกานีสและองค์ประกอบอื่นๆ บางอย่างก็จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงเช่นกัน แต่จะมีในปริมาณเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ในพืชบนบก สารประกอบอนินทรีย์ทั้งหมดเหล่านี้ ยกเว้นคาร์บอนไดออกไซด์ จะเข้าไปทางราก พืชได้รับคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศในบรรยากาศ ซึ่งมีความเข้มข้นเฉลี่ยอยู่ที่ 0.03% CO2 เข้าสู่ใบและ O2 จะถูกปล่อยออกมาผ่านช่องเปิดเล็กๆ ในชั้นหนังกำพร้าที่เรียกว่าปากใบ การเปิดและปิดปากใบถูกควบคุมโดยเซลล์พิเศษ - เรียกว่าเซลล์ป้องกัน - เป็นสีเขียวและสามารถสังเคราะห์แสงได้ เมื่อแสงตกบนเซลล์ป้องกัน การสังเคราะห์แสงจะเริ่มขึ้นในเซลล์เหล่านั้น การสะสมของผลิตภัณฑ์ทำให้เซลล์เหล่านี้ยืดตัว ในกรณีนี้ ช่องเปิดของปากใบจะเปิดกว้างขึ้น และคาร์บอนไดออกไซด์จะแทรกซึมเข้าไปในชั้นด้านล่างของใบ ซึ่งขณะนี้เซลล์สามารถสังเคราะห์แสงต่อไปได้ ปากใบยังควบคุมการระเหยของน้ำด้วยใบไม้ที่เรียกว่า การคายน้ำเนื่องจากไอน้ำส่วนใหญ่ไหลผ่านช่องเปิดเหล่านี้ พืชน้ำได้รับสารอาหารทั้งหมดที่ต้องการจากน้ำที่พวกมันอาศัยอยู่ CO2 และไบคาร์บอเนตไอออน (HCO3-) พบได้ทั้งในทะเลและน้ำจืด สาหร่ายและพืชน้ำอื่นๆ ได้มาจากน้ำโดยตรง แสงในการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่เพียงแต่มีบทบาทเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเท่านั้น แต่ยังมีบทบาทเป็นหนึ่งในสารตั้งต้นด้วย ส่วนสำคัญของพลังงานแสงที่พืชใช้ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจะถูกเก็บไว้ในรูปของพลังงานศักย์เคมีในผลิตภัณฑ์ของการสังเคราะห์ด้วยแสง สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งเกิดขึ้นจากการปล่อยออกซิเจน แสงที่มองเห็นได้ตั้งแต่สีม่วง (ความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร) ไปจนถึงสีแดงปานกลาง (700 นาโนเมตร) มีความเหมาะสมไม่มากก็น้อย การสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรียบางประเภทที่ไม่ได้มาพร้อมกับการปล่อย O2 สามารถใช้แสงที่มีความยาวคลื่นยาวขึ้นไปจนถึงสีแดงไกล (900 นาโนเมตร) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การชี้แจงธรรมชาติของการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มขึ้นในเวลาที่เคมีสมัยใหม่เกิด ผลงานของ J. Priestley (1772), J. Ingenhaus (1780), J. Senebier (1782) รวมถึงการศึกษาทางเคมีของ A. Lavoisier (1775, 1781) นำไปสู่ข้อสรุปว่าพืชเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นออกซิเจน และสำหรับกระบวนการนี้ จำเป็นต้องมีแสง บทบาทของน้ำยังไม่ทราบจนกระทั่ง N. Saussure ชี้ให้เห็นในปี 1808 ในการทดลองที่แม่นยำมาก เขาได้วัดการเพิ่มขึ้นของน้ำหนักแห้งของพืชที่ปลูกในหม้อดิน และยังพิจารณาปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ดูดซับและออกซิเจนที่ปล่อยออกมา Saussure ยืนยันว่าคาร์บอนทั้งหมดที่พืชรวมอยู่ในอินทรียวัตถุนั้นมาจากคาร์บอนไดออกไซด์ ในเวลาเดียวกัน เขาค้นพบว่าการเพิ่มขึ้นของวัตถุแห้งของพืชมีมากกว่าความแตกต่างระหว่างน้ำหนักของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ดูดซับกับน้ำหนักของออกซิเจนที่ปล่อยออกมา เนื่องจากน้ำหนักของดินในหม้อไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ แหล่งที่มาเดียวที่ทำให้น้ำหนักเพิ่มขึ้นคือน้ำ ดังนั้นจึงแสดงให้เห็นว่าหนึ่งในสารตั้งต้นในการสังเคราะห์ด้วยแสงคือน้ำ ไม่สามารถชื่นชมความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งเป็นหนึ่งในกระบวนการแปลงพลังงานได้จนกว่าแนวคิดเรื่องพลังงานเคมีจะเกิดขึ้น ในปี 1845 อาร์. เมเยอร์ได้ข้อสรุปว่าในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง พลังงานแสงจะถูกแปลงเป็นพลังงานศักย์เคมีที่เก็บไว้ในผลิตภัณฑ์

สมการแสดงให้เห็นว่าในพืชสีเขียวเนื่องจากพลังงานแสง กลูโคส 1 โมเลกุลและออกซิเจน 6 โมเลกุลถูกสร้างขึ้นจากน้ำ 6 โมเลกุลและคาร์บอนไดออกไซด์ 6 โมเลกุล กลูโคสเป็นเพียงหนึ่งในคาร์โบไฮเดรตหลายชนิดที่สังเคราะห์ในพืช ด้านล่างนี้เป็นสมการทั่วไปสำหรับการก่อตัวของคาร์โบไฮเดรตโดยมีอะตอมของคาร์บอน n จำนวนต่อโมเลกุล:

สมการที่อธิบายการก่อตัวของสารประกอบอินทรีย์อื่นๆ นั้นไม่ใช่เรื่องง่าย การสังเคราะห์กรดอะมิโนจำเป็นต้องมีสารประกอบอนินทรีย์เพิ่มเติม เช่น การก่อตัวของซิสเทอีน:

บทบาทของแสงในฐานะสารตั้งต้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงจะแสดงให้เห็นได้ง่ายกว่าหากเราหันไปหาปฏิกิริยาเคมีอื่นๆ ซึ่งก็คือการเผาไหม้ กลูโคสเป็นหนึ่งในหน่วยย่อยของเซลลูโลสซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของไม้ การเผาไหม้ของกลูโคสอธิบายได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

สมการนี้เป็นการกลับกันของสมการการสังเคราะห์ด้วยแสงของกลูโคส ยกเว้นว่าแทนที่จะเป็นพลังงานแสง ส่วนใหญ่จะผลิตความร้อน ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานหากพลังงานถูกปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้ก็จะเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเช่น ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจะต้องถูกดูดซึม การเผาไหม้ที่คล้ายคลึงกันทางชีวภาพคือการหายใจ ดังนั้นการหายใจจึงอธิบายโดยใช้สมการเดียวกันกับการเผาไหม้ที่ไม่ใช่ทางชีวภาพ สำหรับเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมด ยกเว้นเซลล์พืชสีเขียวที่อยู่ในแสง ปฏิกิริยาทางชีวเคมีทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงาน การหายใจเป็นกระบวนการทางชีวเคมีหลักที่ปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง แม้ว่าห่วงโซ่อาหารยาวอาจอยู่ระหว่างกระบวนการทั้งสองนี้ก็ตาม การจัดหาพลังงานอย่างต่อเนื่องเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการปรากฏตัวของสิ่งมีชีวิต และพลังงานแสงซึ่งการสังเคราะห์ด้วยแสงแปลงเป็นพลังงานศักย์เคมีของสารอินทรีย์และใช้ในการปล่อยออกซิเจนอิสระ เป็นแหล่งพลังงานหลักเพียงแหล่งเดียวที่สำคัญสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด จากนั้นเซลล์ที่มีชีวิตจะออกซิไดซ์ ("เผา") สารอินทรีย์เหล่านี้ด้วยออกซิเจน และพลังงานบางส่วนที่ปล่อยออกมาเมื่อออกซิเจนรวมตัวกับคาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน และซัลเฟอร์ ถูกเก็บไว้เพื่อใช้ในกระบวนการชีวิตต่างๆ เช่น การเคลื่อนไหวหรือการเจริญเติบโต เมื่อรวมกับองค์ประกอบที่ระบุไว้ออกซิเจนจะก่อให้เกิดออกไซด์ - คาร์บอนไดออกไซด์น้ำไนเตรตและซัลเฟต วงจรจึงสิ้นสุดลง เหตุใดออกซิเจนอิสระจึงเป็นแหล่งเดียวในโลกคือการสังเคราะห์ด้วยแสง จึงจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เหตุผลก็คือมีปฏิกิริยาสูง เมฆอิเล็กตรอนของอะตอมออกซิเจนที่เป็นกลางมีอิเล็กตรอนน้อยกว่าที่จำเป็นสำหรับการกำหนดค่าอิเล็กตรอนที่เสถียรที่สุดถึงสองตัว ดังนั้นอะตอมของออกซิเจนจึงมีแนวโน้มที่จะได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มเติมอีกสองตัว ซึ่งทำได้โดยการรวม (สร้างพันธะสองตัว) กับอะตอมอื่น อะตอมออกซิเจนสามารถสร้างพันธะสองตัวที่มีอะตอมต่างกันสองอะตอมหรือสร้างพันธะคู่กับอะตอมเดียวก็ได้ ในแต่ละพันธะเหล่านี้ อิเล็กตรอนหนึ่งตัวจะได้รับพลังงานจากอะตอมออกซิเจน และอิเล็กตรอนตัวที่สองได้รับพลังงานจากอะตอมอีกอะตอมหนึ่งที่มีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะ ตัวอย่างเช่น ในโมเลกุลของน้ำ (H2O) อะตอมไฮโดรเจนทั้งสองอะตอมจะจ่ายอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวเพื่อสร้างพันธะกับออกซิเจน ดังนั้นจึงสนองความปรารถนาโดยธรรมชาติของออกซิเจนที่จะรับอิเล็กตรอนเพิ่มเติมสองตัว ในโมเลกุล CO2 อะตอมออกซิเจนทั้งสองอะตอมจะสร้างพันธะคู่กับอะตอมของคาร์บอนเดียวกันซึ่งมีอิเล็กตรอนสี่ตัวจับกัน ดังนั้นทั้งใน H2O และ CO2 อะตอมออกซิเจนจึงมีอิเล็กตรอนมากเท่าที่จำเป็นสำหรับการกำหนดค่าที่เสถียร อย่างไรก็ตาม หากอะตอมออกซิเจนสองอะตอมเกิดพันธะซึ่งกันและกัน ออร์บิทัลของอิเล็กตรอนของอะตอมเหล่านี้จะทำให้เกิดพันธะเพียงอันเดียวเท่านั้น ความต้องการอิเล็กตรอนจึงมีความพึงพอใจเพียงครึ่งเดียวเท่านั้น ดังนั้นโมเลกุล O2 เมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุล CO2 และ H2O จึงมีความเสถียรน้อยกว่าและมีปฏิกิริยามากกว่า ผลิตภัณฑ์อินทรีย์จากการสังเคราะห์ด้วยแสง เช่น คาร์โบไฮเดรต (CH2O)n ค่อนข้างเสถียร เนื่องจากแต่ละอะตอมของคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนในนั้นจะได้รับอิเล็กตรอนมากเท่าที่จำเป็นเพื่อสร้างโครงสร้างที่เสถียรที่สุด กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งผลิตคาร์โบไฮเดรต จึงแปลงสารที่มีความเสถียรมากสองชนิด ได้แก่ CO2 และ H2O ให้เป็นสารที่มีความเสถียรโดยสมบูรณ์เพียงชนิดเดียว (CH2O)n และสารที่มีความเสถียรน้อยกว่าอีกหนึ่งชนิดคือ O2 การสะสม O2 จำนวนมหาศาลในชั้นบรรยากาศอันเป็นผลมาจากการสังเคราะห์ด้วยแสงและปฏิกิริยาสูงของมันจะกำหนดบทบาทของมันในฐานะสารออกซิไดซ์ที่เป็นสากล เมื่อธาตุให้อิเล็กตรอนหรืออะตอมไฮโดรเจน เราก็บอกว่าธาตุนั้นถูกออกซิไดซ์ การเติมอิเล็กตรอนหรือการก่อตัวของพันธะกับไฮโดรเจน เช่นเดียวกับอะตอมของคาร์บอนในการสังเคราะห์ด้วยแสง เรียกว่าการรีดิวซ์ การใช้แนวคิดเหล่านี้ การสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถนิยามได้ว่าเป็นการออกซิเดชันของน้ำควบคู่กับรีดักชันของคาร์บอนไดออกไซด์หรือออกไซด์ของอนินทรีย์อื่นๆ
กลไกการสังเคราะห์ด้วยแสงระยะสว่างและมืด ปัจจุบันมีการพิสูจน์แล้วว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในสองขั้นตอน: แสงสว่างและความมืด เวทีแสงคือกระบวนการใช้แสงเพื่อแยกน้ำ ในเวลาเดียวกัน ออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาและเกิดสารประกอบที่มีพลังงานสูง ระยะมืดประกอบด้วยกลุ่มของปฏิกิริยาที่ใช้ผลิตภัณฑ์พลังงานสูงของระยะแสงเพื่อลด CO2 ให้เป็นน้ำตาลเชิงเดี่ยว กล่าวคือ เพื่อการดูดซึมคาร์บอน ดังนั้นระยะความมืดจึงเรียกว่าระยะสังเคราะห์ คำว่า “ระยะมืด” หมายความว่าแสงไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงเท่านั้น แนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับกลไกการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นจากการวิจัยที่ดำเนินการในช่วงทศวรรษที่ 1930-1950 ก่อนหน้านี้ เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์ถูกเข้าใจผิดด้วยสมมติฐานที่ดูเรียบง่าย แต่ไม่ถูกต้อง ตามที่ O2 ก่อตัวขึ้นจาก CO2 และคาร์บอนที่ปล่อยออกมาจะทำปฏิกิริยากับ H2O ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของคาร์โบไฮเดรต ในช่วงทศวรรษที่ 1930 เมื่อปรากฏว่าแบคทีเรียกำมะถันบางชนิดไม่ผลิตออกซิเจนในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง นักชีวเคมี K. van Niel แนะนำว่าออกซิเจนที่ปล่อยออกมาระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืชสีเขียวนั้นมาจากน้ำ ในแบคทีเรียกำมะถันปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นดังนี้:

สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ผลิตกำมะถันแทน O2 แวน นีลได้ข้อสรุปว่าสมการนี้สามารถอธิบายการสังเคราะห์ด้วยแสงทุกประเภทได้

โดยที่ X คือออกซิเจนในการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อย O2 และกำมะถันในการสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรียกำมะถัน Van Niel ยังเสนอว่ากระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับสองขั้นตอน: ระยะแสงและขั้นตอนการสังเคราะห์ สมมติฐานนี้ได้รับการสนับสนุนจากการค้นพบของนักสรีรวิทยาอาร์ ฮิลล์ เขาค้นพบว่าเซลล์ที่ถูกทำลายหรือไม่ทำงานบางส่วนสามารถทำปฏิกิริยาในแสงซึ่งมีการปล่อยออกซิเจนออกมาได้ แต่ CO2 จะไม่ลดลง (เรียกว่าปฏิกิริยาฮิลล์) เพื่อให้ปฏิกิริยานี้ดำเนินต่อไป จำเป็นต้องเติมสารออกซิไดซ์บางชนิดที่สามารถเกาะติดอิเล็กตรอนหรืออะตอมไฮโดรเจนที่ออกซิเจนของน้ำปล่อยออกมาได้ สารรีเอเจนต์ตัวหนึ่งของฮิลคือควิโนน ซึ่งเมื่อเติมไฮโดรเจนสองอะตอมเข้าไป ก็จะกลายเป็นไดไฮโดรควิโนน รีเอเจนต์ของ Hill อื่นๆ มีเฟอร์ริกไอออน (Fe3+ ไอออน) ซึ่งเมื่อเติมอิเล็กตรอนหนึ่งตัวจากออกซิเจนของน้ำ ก็เปลี่ยนเป็นเหล็กไดวาเลนต์ (Fe2+) ดังนั้นจึงแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนจากออกซิเจนในน้ำไปเป็นคาร์บอนสามารถเกิดขึ้นได้ในรูปแบบของการเคลื่อนที่อิสระของอิเล็กตรอนและไอออนไฮโดรเจน ขณะนี้เป็นที่ยอมรับแล้วว่าในการกักเก็บพลังงานนั้นมีความสำคัญเนื่องจากการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปอีกอะตอมหนึ่ง ในขณะที่ไฮโดรเจนไอออนสามารถผ่านเข้าไปในสารละลายที่เป็นน้ำได้ และหากจำเป็น ก็จะถูกกำจัดออกจากอะตอมนั้นอีกครั้ง ปฏิกิริยาฮิลล์ซึ่งพลังงานแสงถูกใช้เพื่อทำให้เกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากออกซิเจนไปยังตัวออกซิไดซ์ (ตัวรับอิเล็กตรอน) เป็นการสาธิตครั้งแรกของการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมีและเป็นแบบจำลองสำหรับการสังเคราะห์แสงระยะแสง สมมติฐานที่ว่าออกซิเจนได้รับจากน้ำอย่างต่อเนื่องในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงได้รับการยืนยันเพิ่มเติมในการทดลองโดยใช้น้ำที่มีป้ายกำกับว่ามีออกซิเจนไอโซโทปหนัก (18O) เนื่องจากไอโซโทปของออกซิเจน (16O ทั่วไปและ 18O หนัก) มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน พืชจึงใช้ H218O ในลักษณะเดียวกับ H216O ปรากฎว่าออกซิเจนที่ปล่อยออกมามี 18O ในการทดลองอื่น พืชทำการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วย H216O และ C18O2 ในกรณีนี้ ออกซิเจนที่ปล่อยออกมาเมื่อเริ่มต้นการทดลองไม่มี 18O ในคริสต์ทศวรรษ 1950 นักสรีรวิทยาพืช ดี. อาร์นอน และนักวิจัยคนอื่นๆ ได้พิสูจน์ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงมีทั้งระยะแสงและระยะมืด การเตรียมการที่สามารถดำเนินการตลอดระยะแสงได้มาจากเซลล์พืช เมื่อใช้พวกมัน เป็นไปได้ที่จะพิสูจน์ว่าในแสง อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจากน้ำไปยังตัวออกซิไดเซอร์สังเคราะห์แสง ซึ่งส่งผลให้กลายเป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนสำหรับการลดคาร์บอนไดออกไซด์ในขั้นตอนต่อไปของการสังเคราะห์ด้วยแสง ตัวพาอิเล็กตรอนคือนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ฟอสเฟต รูปแบบออกซิไดซ์ถูกกำหนดให้เป็น NADP+ และรูปแบบรีดิวซ์ (เกิดขึ้นหลังจากการเติมอิเล็กตรอนสองตัวและไฮโดรเจนไอออน) ถูกกำหนดให้เป็น NADPH ใน NADP+ อะตอมไนโตรเจนคือเพนทาวาเลนต์ (พันธะ 4 พันธะและประจุบวก 1 ประจุ) และใน NADPHN อะตอมจะเป็นไตรวาเลนต์ (พันธะ 3 พันธะ) NADP+ เป็นของสิ่งที่เรียกว่า โคเอ็นไซม์ โคเอ็นไซม์ร่วมกับเอ็นไซม์ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างในระบบสิ่งมีชีวิต แต่ไม่เหมือนกับเอ็นไซม์ที่พวกมันเปลี่ยนแปลงระหว่างการทำปฏิกิริยา พลังงานแสงที่ถูกแปลงแล้วส่วนใหญ่ที่เก็บอยู่ในระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะถูกเก็บไว้ระหว่างการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากน้ำไปยัง NADP+ ผลลัพธ์ NADPHN ที่จับยึดอิเล็กตรอนได้ไม่แน่นเท่ากับออกซิเจนในน้ำ และสามารถปล่อยอิเล็กตรอนออกไปในกระบวนการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ โดยใช้พลังงานที่สะสมไปใช้กับงานทางเคมีที่มีประโยชน์ พลังงานจำนวนมากยังถูกกักเก็บไว้อีกทางหนึ่ง กล่าวคือ ในรูปของ ATP (adenosine triphosphate) มันถูกสร้างขึ้นโดยการเอาน้ำออกจากไอออนฟอสเฟตอนินทรีย์ (HPO42-) และฟอสเฟตอินทรีย์ อะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) ตามสมการต่อไปนี้:

ATP เป็นสารประกอบที่อุดมด้วยพลังงาน และการก่อตัวของมันต้องใช้พลังงานจากแหล่งใดแหล่งหนึ่ง ในปฏิกิริยาย้อนกลับคือ เมื่อ ATP ถูกแบ่งออกเป็น ADP และฟอสเฟต พลังงานจะถูกปล่อยออกมา ในหลายกรณี ATP จะให้พลังงานแก่สารประกอบเคมีอื่นๆ ในการทำปฏิกิริยาซึ่งไฮโดรเจนจะถูกแทนที่ด้วยฟอสเฟต ในปฏิกิริยาด้านล่าง น้ำตาล (ROH) จะถูกฟอสโฟรีเลชั่นกลายเป็นน้ำตาลฟอสเฟต:

น้ำตาลฟอสเฟตมีพลังงานมากกว่าน้ำตาลที่ไม่มีฟอสฟอรัส ปฏิกิริยาจึงสูงกว่า ATP และ NADPHN ที่เกิดขึ้น (พร้อมกับ O2) ในระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง จากนั้นนำไปใช้ในขั้นตอนการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตและสารประกอบอินทรีย์อื่นๆ จากคาร์บอนไดออกไซด์
โครงสร้างของอุปกรณ์สังเคราะห์แสงพลังงานแสงถูกดูดซับโดยเม็ดสี (สารที่เรียกว่าสารที่ดูดซับแสงที่มองเห็นได้) พืชทุกชนิดที่ทำการสังเคราะห์ด้วยแสงจะมีคลอโรฟิลล์เม็ดสีเขียวในรูปแบบต่างๆ และอาจมีแคโรทีนอยด์ซึ่งโดยปกติจะมีสีเหลือง พืชชั้นสูงประกอบด้วยคลอโรฟิลล์ เอ (C55H72O5N4Mg) และคลอโรฟิลล์ บี (C55H70O6N4Mg) เช่นเดียวกับแคโรทีนอยด์หลัก 4 ชนิด ได้แก่ บีแคโรทีน (C40H56), ลูทีน (C40H55O2), ไวโอแซนทิน และนีโอแซนทิน เม็ดสีที่หลากหลายนี้ให้สเปกตรัมการดูดกลืนแสงที่มองเห็นได้กว้าง เนื่องจากเม็ดสีแต่ละชนิดได้รับการ "ปรับ" ให้เข้ากับขอบเขตสเปกตรัมของตัวเอง สาหร่ายบางชนิดมีเม็ดสีชุดเดียวกันโดยประมาณ แต่หลายชนิดมีเม็ดสีที่ค่อนข้างแตกต่างจากที่ระบุไว้ในธรรมชาติทางเคมี เม็ดสีเหล่านี้ทั้งหมด เช่นเดียวกับอุปกรณ์สังเคราะห์แสงทั้งหมดของเซลล์สีเขียว ถูกล้อมรอบด้วยออร์แกเนลล์พิเศษที่ล้อมรอบด้วยเมมเบรน ที่เรียกว่า คลอโรพลาสต์ สีเขียวของเซลล์พืชขึ้นอยู่กับคลอโรพลาสต์เท่านั้น องค์ประกอบที่เหลือของเซลล์ไม่มีเม็ดสีเขียว ขนาดและรูปร่างของคลอโรพลาสต์มีความแตกต่างกันค่อนข้างมาก คลอโรพลาสต์ทั่วไปมีรูปร่างเหมือนแตงกวาโค้งเล็กน้อย เส้นผ่านศูนย์กลาง 1 µm และความยาวประมาณ 1 µm 4 ไมครอน เซลล์ขนาดใหญ่ของพืชสีเขียว เช่น เซลล์ใบของสิ่งมีชีวิตบนโลกส่วนใหญ่ มีคลอโรพลาสต์จำนวนมาก แต่สาหร่ายเซลล์เดียวขนาดเล็ก เช่น คลอเรลลา ไพรีออยโดซา มีคลอโรพลาสต์เพียงเซลล์เดียวซึ่งครอบครองส่วนใหญ่ของเซลล์
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนช่วยให้คุณทำความคุ้นเคยกับโครงสร้างคลอโรพลาสต์ที่ซับซ้อนมาก ทำให้สามารถระบุโครงสร้างที่มีขนาดเล็กกว่าโครงสร้างที่มองเห็นได้ในกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไปได้มาก ในกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ไม่สามารถแยกแยะอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า 0.5 ไมครอนได้ ภายในปี 1961 ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทำให้สามารถสังเกตอนุภาคที่เล็กกว่าพันเท่า (ประมาณ 0.5 นาโนเมตร) ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน โครงสร้างเมมเบรนบางมากที่เรียกว่าถูกระบุในคลอโรพลาสต์ ไทลาคอยด์ เหล่านี้เป็นถุงแบน ปิดที่ขอบ และรวมตัวกันเป็นกองเรียกว่ากรานา ในภาพ เมล็ดธัญพืชดูเหมือนกองแพนเค้กบางมาก ภายในถุงมีช่องว่าง - โพรงไทลาคอยด์และไทลาคอยด์เองที่รวบรวมในกราน่าจะถูกแช่อยู่ในโปรตีนที่ละลายน้ำได้ซึ่งมีมวลคล้ายเจลซึ่งเติมเต็มช่องว่างภายในของคลอโรพลาสต์และเรียกว่าสโตรมา สโตรมายังมีไทลาคอยด์ที่เล็กและบางกว่าซึ่งเชื่อมต่อกรานาแต่ละตัวเข้าด้วยกัน เยื่อไทลาคอยด์ทั้งหมดประกอบด้วยโปรตีนและไขมันในปริมาณที่เท่ากันโดยประมาณ ไม่ว่าพวกมันจะถูกรวบรวมในกรานาหรือไม่ก็ตาม เม็ดสีนั้นมีความเข้มข้นและระยะแสงจะเกิดขึ้น ระยะความมืดเกิดขึ้นตามที่เชื่อกันทั่วไปในสโตรมา
ระบบภาพถ่ายคลอโรฟิลล์และแคโรทีนอยด์ที่ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ของคลอโรพลาสต์ ถูกประกอบเข้าด้วยกันเป็นหน่วยการทำงาน - ระบบภาพถ่าย ซึ่งแต่ละหน่วยประกอบด้วยโมเลกุลของเม็ดสีประมาณ 250 โมเลกุล โครงสร้างของระบบภาพถ่ายเป็นเช่นนั้นในบรรดาโมเลกุลทั้งหมดเหล่านี้ที่สามารถดูดซับแสงได้มีเพียงคลอโรฟิลล์ที่อยู่เป็นพิเศษเพียงโมเลกุลเดียวเท่านั้นที่สามารถใช้พลังงานในปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอล - เป็นศูนย์กลางปฏิกิริยาของระบบภาพถ่าย โมเลกุลเม็ดสีที่เหลือซึ่งดูดซับแสงจะถ่ายโอนพลังงานไปยังศูนย์ปฏิกิริยา โมเลกุลในการเก็บเกี่ยวแสงเหล่านี้เรียกว่าโมเลกุลของเสาอากาศ ระบบภาพถ่ายมีสองประเภท ในระบบภาพถ่าย I โมเลกุลคลอโรฟิลล์จำเพาะซึ่งประกอบเป็นศูนย์ปฏิกิริยามีการดูดซับที่เหมาะสมที่สุดที่ความยาวคลื่นแสง 700 นาโนเมตร (กำหนด P700; P - เม็ดสี) และในระบบภาพถ่าย II - ที่ 680 นาโนเมตร (P680) โดยทั่วไปแล้ว ระบบภาพถ่ายทั้งสองจะทำงานพร้อมกันและต่อเนื่อง (ในสภาพแสง) แม้ว่าระบบภาพถ่ายฉันจะทำงานแยกกันก็ตาม
การเปลี่ยนแปลงของพลังงานแสงการพิจารณาปัญหานี้ควรเริ่มต้นด้วยระบบภาพถ่าย II โดยที่ศูนย์ปฏิกิริยา P680 ใช้พลังงานแสง เมื่อแสงเข้าสู่ระบบภาพถ่ายนี้ พลังงานของมันจะกระตุ้นโมเลกุล P680 และอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นและมีพลังคู่หนึ่งของโมเลกุลนี้จะถูกแยกออกและถ่ายโอนไปยังโมเลกุลตัวรับ (อาจเป็นควิโนน) ซึ่งแสดงด้วยตัวอักษร Q สถานการณ์สามารถจินตนาการได้ ในลักษณะที่อิเล็กตรอนจะกระโดดจากแสงที่ได้รับ "ดัน" และตัวรับจะจับพวกมันในตำแหน่งบนสุด หากไม่ใช่เพราะตัวรับ อิเล็กตรอนจะกลับสู่ตำแหน่งเดิม (ไปยังศูนย์กลางปฏิกิริยา) และพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการเคลื่อนที่ลงจะกลายเป็นแสง กล่าวคือ จะถูกใช้กับสารเรืองแสง จากมุมมองนี้ตัวรับอิเล็กตรอนถือได้ว่าเป็นเครื่องดับเรืองแสง (ด้วยเหตุนี้จึงได้ชื่อว่า Q จากภาษาอังกฤษดับ - ถึงดับ)
โมเลกุล P680 ซึ่งสูญเสียอิเล็กตรอนไปสองตัวได้ออกซิไดซ์และเพื่อให้กระบวนการไม่หยุดอยู่แค่นั้นจะต้องลดลงนั่นคือ ได้รับอิเล็กตรอนสองตัวจากแหล่งใดแหล่งหนึ่ง น้ำทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิด โดยแบ่งออกเป็น 2H+ และ 1/2O2 โดยบริจาคอิเล็กตรอนสองตัวให้กับ P680 ที่ถูกออกซิไดซ์ การแยกน้ำโดยอาศัยแสงนี้เรียกว่าโฟโตไลซิส เอนไซม์ที่ทำหน้าที่โฟโตไลซิสจะอยู่ที่ด้านในของเมมเบรนไทลาคอยด์ ซึ่งส่งผลให้ไอออนไฮโดรเจนทั้งหมดสะสมอยู่ในโพรงไทลาคอยด์ ปัจจัยที่สำคัญที่สุดสำหรับเอนไซม์โฟโตไลซิสคืออะตอมของแมงกานีส การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนสองตัวจากศูนย์กลางปฏิกิริยาของระบบภาพถ่ายไปเป็นตัวรับนั้นเป็นการปีน "ขึ้นเนิน" กล่าวคือ ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น และการเพิ่มขึ้นนี้มาจากพลังงานแสง ต่อไป ในระบบภาพถ่าย II อิเล็กตรอนคู่หนึ่งจะเริ่ม “การสืบเชื้อสาย” อย่างค่อยเป็นค่อยไปจากตัวรับ Q ไปยังระบบภาพถ่าย I การสืบเชื้อสายเกิดขึ้นตามห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งคล้ายกันมากในการจัดระเบียบกับสายโซ่ที่คล้ายกันในไมโตคอนเดรีย (ดูเมตาโบลิซึมเพิ่มเติม) ประกอบด้วยไซโตโครม โปรตีนที่มีธาตุเหล็กและซัลเฟอร์ โปรตีนที่ประกอบด้วยทองแดง และส่วนประกอบอื่นๆ การค่อยๆ เคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนจากสถานะที่มีพลังงานมากขึ้นไปสู่สถานะที่มีพลังงานน้อยลงนั้นสัมพันธ์กับการสังเคราะห์ ATP จาก ADP และฟอสเฟตอนินทรีย์ เป็นผลให้พลังงานแสงไม่สูญหาย แต่ถูกเก็บไว้ในพันธะฟอสเฟตของ ATP ซึ่งสามารถใช้ในกระบวนการเผาผลาญได้ การก่อตัวของ ATP ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงเรียกว่าโฟโตฟอสโฟรีเลชั่น ในขณะเดียวกันกับกระบวนการที่อธิบายไว้ แสงจะถูกดูดซับในระบบภาพถ่าย I ในที่นี้ พลังงานของมันยังใช้เพื่อแยกอิเล็กตรอนสองตัวออกจากศูนย์ปฏิกิริยา (P700) และถ่ายโอนไปยังตัวรับซึ่งเป็นโปรตีนที่มีธาตุเหล็ก จากตัวรับนี้ ผ่านพาหะระดับกลาง (เช่น โปรตีนที่มีธาตุเหล็ก) อิเล็กตรอนทั้งสองจะไปที่ NADP+ ซึ่งส่งผลให้สามารถเกาะติดไฮโดรเจนไอออนได้ (เกิดขึ้นระหว่างโฟโตไลซิสของน้ำและเก็บรักษาไว้ในไทลาคอยด์) - และกลายเป็น NADPH สำหรับศูนย์ปฏิกิริยา P700 ซึ่งถูกออกซิไดซ์ในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการ จะรับอิเล็กตรอน (“ลดลง”) สองตัวจากระบบภาพถ่าย II ซึ่งจะคืนสู่สถานะดั้งเดิม ปฏิกิริยารวมของระยะแสงที่เกิดขึ้นระหว่างการกระตุ้นด้วยแสงของระบบภาพถ่าย I และ II สามารถแสดงได้ดังนี้:

พลังงานที่ส่งออกทั้งหมดของการไหลของอิเล็กตรอนในกรณีนี้คือ 1 โมเลกุล ATP และ 1 โมเลกุล NADPH ต่อ 2 อิเล็กตรอน เมื่อเปรียบเทียบพลังงานของสารประกอบเหล่านี้กับพลังงานแสงที่ให้การสังเคราะห์ คำนวณได้ว่าประมาณ 1/3 ของพลังงานของแสงที่ถูกดูดกลืนจะถูกเก็บไว้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ในแบคทีเรียสังเคราะห์แสงบางชนิด ระบบภาพถ่ายฉันทำงานอย่างอิสระ ในกรณีนี้ การไหลของอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมจากศูนย์กลางปฏิกิริยาไปยังตัวรับ และ - ตามเส้นทางวงเวียน - กลับไปยังศูนย์กลางปฏิกิริยา ในกรณีนี้ จะไม่เกิดโฟโตไลซิสของน้ำและการปล่อยออกซิเจน ไม่มีการสร้าง NADPH แต่จะมีการสังเคราะห์ ATP กลไกของปฏิกิริยาแสงนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในพืชที่สูงขึ้นภายใต้สภาวะเมื่อมี NADPH ส่วนเกินเกิดขึ้นในเซลล์
ปฏิกิริยาความมืด (ขั้นตอนการสังเคราะห์)การสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์โดยการลดคาร์บอนไดออกไซด์ (เช่นเดียวกับไนเตรตและซัลเฟต) ก็เกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์เช่นกัน ATP และ NADPH ซึ่งได้จากปฏิกิริยาแสงที่เกิดขึ้นในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานและอิเล็กตรอนสำหรับปฏิกิริยาการสังเคราะห์ การลดลงของ CO2 เป็นผลมาจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยัง CO2 ในระหว่างการโอนนี้ พันธบัตร C-O บางส่วนจะถูกแทนที่ด้วยพันธบัตร C-H, C-C และ O-H กระบวนการนี้ประกอบด้วยหลายขั้นตอน ซึ่งบางขั้นตอน (15 ขั้นตอนขึ้นไป) จะก่อตัวเป็นวงจร วัฏจักรนี้ถูกค้นพบในปี 1953 โดยนักเคมี เอ็ม. คาลวิน และเพื่อนร่วมงานของเขา การใช้ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอนแทนไอโซโทปปกติ (เสถียร) ในการทดลอง นักวิจัยเหล่านี้สามารถติดตามเส้นทางของคาร์บอนในปฏิกิริยาที่กำลังศึกษาได้ ในปี 1961 คาลวินได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีจากผลงานชิ้นนี้ วัฏจักรคาลวินเกี่ยวข้องกับสารประกอบที่มีจำนวนอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุลตั้งแต่สามถึงเจ็ดอะตอม ส่วนประกอบทั้งหมดของวงจร ยกเว้นองค์ประกอบหนึ่งคือน้ำตาลฟอสเฟต เช่น น้ำตาลที่กลุ่ม OH หนึ่งหรือสองกลุ่มถูกแทนที่ด้วยกลุ่มฟอสเฟต (-OPO3H-) ข้อยกเว้นคือกรด 3-ฟอสโฟกลีเซอริก (PGA; 3-ฟอสโฟกลีเซอเรต) ซึ่งเป็นกรดน้ำตาลฟอสเฟต มันคล้ายกับน้ำตาลสามคาร์บอนฟอสโฟรีเลต (กลีเซอโรฟอสเฟต) แต่แตกต่างตรงที่มีกลุ่มคาร์บอกซิล O=C-O- เช่น อะตอมของคาร์บอนตัวหนึ่งเชื่อมต่อกับอะตอมออกซิเจนด้วยพันธะสามตัว สะดวกในการเริ่มต้นคำอธิบายของวัฏจักรด้วยไรบูโลสโมโนฟอสเฟตซึ่งมีอะตอมของคาร์บอน 5 อะตอม (C5) ATP ที่เกิดขึ้นในระยะแสงจะทำปฏิกิริยากับไรบูโลสโมโนฟอสเฟต แล้วแปลงเป็นไรบูโลสไดฟอสเฟต กลุ่มฟอสเฟตกลุ่มที่สองให้พลังงานเพิ่มเติมจากไรบูโลส ไดฟอสเฟต เนื่องจากมีพลังงานส่วนหนึ่งที่เก็บไว้ในโมเลกุล ATP ดังนั้นแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับสารประกอบอื่นและสร้างพันธะใหม่จึงเด่นชัดกว่าในไรบูโลสไดฟอสเฟต น้ำตาล C5 นี้เองที่เติม CO2 เพื่อสร้างสารประกอบคาร์บอน 6 ตัว อย่างหลังไม่เสถียรมากและภายใต้อิทธิพลของน้ำจะแตกตัวออกเป็นสองส่วน - โมเลกุล PGA สองอัน หากเราคำนึงถึงเฉพาะการเปลี่ยนแปลงจำนวนอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุลน้ำตาล ขั้นตอนหลักของวงจรที่การตรึง (การดูดซึม) ของ CO2 เกิดขึ้นสามารถแสดงได้ดังนี้:

เอนไซม์ที่กระตุ้นการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (คาร์บอกซิเลสจำเพาะ) มีอยู่ในคลอโรพลาสต์ในปริมาณมาก (มากกว่า 16% ของปริมาณโปรตีนทั้งหมด) เมื่อพิจารณาจากพืชสีเขียวจำนวนมาก อาจเป็นโปรตีนที่มีมากที่สุดในชีวมณฑล ขั้นตอนต่อไปคือ PGA ทั้งสองโมเลกุลที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาคาร์บอกซิเลชันแต่ละโมเลกุลจะถูกรีดิวซ์โดย NADPH หนึ่งโมเลกุลจนกลายเป็นน้ำตาลฟอสเฟตที่มีคาร์บอนสามคาร์บอน (ไตรโรสฟอสเฟต) การลดลงนี้เกิดขึ้นจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนสองตัวไปยังคาร์บอนของกลุ่มคาร์บอกซิลของ FHA อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ ATP ก็จำเป็นเช่นกันเพื่อให้โมเลกุลมีพลังงานเคมีเพิ่มเติมและเพิ่มปฏิกิริยาของมัน งานนี้ดำเนินการโดยระบบเอนไซม์ที่ถ่ายโอนกลุ่มเทอร์มินัลฟอสเฟตของ ATP ไปยังหนึ่งในอะตอมออกซิเจนของกลุ่มคาร์บอกซิล (กลุ่มถูกสร้างขึ้น) เช่น PGA จะถูกแปลงเป็นกรดไดฟอสโฟกลีเซอริก เมื่อ NADPHN บริจาคไฮโดรเจนหนึ่งอะตอมบวกอิเล็กตรอนหนึ่งตัวให้กับคาร์บอนของกลุ่มคาร์บอกซิลของสารประกอบนี้ (เทียบเท่ากับอิเล็กตรอนสองตัวบวกไฮโดรเจนไอออน H+) พันธะเดี่ยวของ C-O จะแตกออก และออกซิเจนที่จับกับฟอสฟอรัสจะกลายเป็นฟอสเฟตอนินทรีย์ HPO42 - และหมู่คาร์บอกซิล O =C-O- เปลี่ยนเป็นอัลดีไฮด์ O=C-H หลังเป็นลักษณะของน้ำตาลบางประเภท เป็นผลให้ PGA โดยการมีส่วนร่วมของ ATP และ NADPH ลดลงเหลือน้ำตาลฟอสเฟต (ไตรโรสฟอสเฟต) กระบวนการทั้งหมดที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถแสดงได้ด้วยสมการต่อไปนี้: 1) ไรบูโลสโมโนฟอสเฟต + ATP -> ไรบูโลสไดฟอสเฟต + ADP 2) ไรบูโลสไดฟอสเฟต + CO2 -> สารประกอบ C6 ไม่เสถียร 3) สารประกอบ C6 ไม่เสถียร + H2O -> 2 PGA 4) PGA + ATP + NADPH -> ADP + H2PO42- + ไตรโอสฟอสเฟต (C3) ผลลัพธ์สุดท้ายของปฏิกิริยา 1-4 คือการก่อตัวของไตรโอสฟอสเฟต (C3) สองโมเลกุลจากไรบูโลสโมโนฟอสเฟตและ CO2 โดยการใช้ NADPH สองโมเลกุลและ ATP สามโมเลกุล ในชุดปฏิกิริยานี้จะแสดงการมีส่วนร่วมทั้งหมดของเวทีแสง - ในรูปแบบของ ATP และ NADPH - ต่อวงจรการลดคาร์บอน แน่นอนว่า ระยะแสงจะต้องจัดหาปัจจัยร่วมเหล่านี้เพิ่มเติมสำหรับการลดไนเตรตและซัลเฟต และสำหรับการเปลี่ยน PGA และไตรโรสฟอสเฟตที่เกิดขึ้นในวัฏจักรไปเป็นสารอินทรีย์อื่นๆ เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมัน ความสำคัญของขั้นตอนต่อๆ ไปของวัฏจักรก็คือ พวกมันนำไปสู่การงอกใหม่ของสารประกอบคาร์บอน 5 ชนิด คือไรบูโลส โมโนฟอสเฟต ซึ่งจำเป็นสำหรับการเริ่มวัฏจักรใหม่ ส่วนของลูปนี้สามารถเขียนได้ดังนี้:

ซึ่งให้ผลรวม 5C3 -> 3C5 ไรบูโลส โมโนฟอสเฟต 3 โมเลกุลที่เกิดจากไตรโอสฟอสเฟต 5 โมเลกุล จะถูกแปลงหลังจากการเติม CO2 (คาร์บอกซิเลชัน) และรีดักชั่น ให้เป็นไตรโอสฟอสเฟต 6 โมเลกุล ดังนั้น จากการปฏิวัติหนึ่งครั้ง คาร์บอนไดออกไซด์หนึ่งโมเลกุลจึงรวมอยู่ในสารประกอบอินทรีย์สามคาร์บอน โดยรวมแล้วการปฏิวัติสามครั้งของวัฏจักรทำให้เกิดโมเลกุลใหม่ของโมเลกุลหลังและสำหรับการสังเคราะห์โมเลกุลของน้ำตาลหกคาร์บอน (กลูโคสหรือฟรุกโตส) โมเลกุลสามคาร์บอนสองตัวและดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการปฏิวัติ 6 รอบ วัฏจักรทำให้อินทรียวัตถุเพิ่มขึ้นในปฏิกิริยาที่เกิดน้ำตาล กรดไขมัน และกรดอะมิโนต่างๆ เกิดขึ้น เช่น “ส่วนประกอบ” ของแป้ง ไขมัน และโปรตีน ความจริงที่ว่าผลิตภัณฑ์โดยตรงของการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่เพียงแต่เป็นคาร์โบไฮเดรตเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกรดอะมิโนและกรดไขมันด้วย โดยใช้ฉลากไอโซโทป ซึ่งเป็นไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน คลอโรพลาสต์ไม่ได้เป็นเพียงอนุภาคที่ถูกดัดแปลงเพื่อการสังเคราะห์แป้งและน้ำตาลเท่านั้น นี่คือ "โรงงาน" ที่ซับซ้อนและมีการจัดระเบียบอย่างดี ไม่เพียงแต่สามารถผลิตวัสดุทั้งหมดที่ใช้สร้างขึ้นเองเท่านั้น แต่ยังจัดหาสารประกอบคาร์บอนลดส่วนต่างๆ ของเซลล์และอวัยวะพืชที่ไม่ได้ทำการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วย ตัวพวกเขาเอง.
วรรณกรรม
Edwards J. , Walker D. การสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช C3 และ C4: กลไกและการควบคุม M. , 1986 Raven P. , Evert R. , Eichhorn S. พฤกษศาสตร์สมัยใหม่ เล่ม 1 M. , 1990

สารานุกรมถ่านหิน. - สังคมเปิด. 2000 .

การสังเคราะห์ด้วยแสงที่ไม่ใช่คลอโรฟิลล์

การแปลเชิงพื้นที่

การสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์: ออร์แกเนลล์เมมเบรนสองชั้นที่แยกได้ของเซลล์ คลอโรพลาสต์สามารถพบได้ในเซลล์ของผลไม้และลำต้น แต่อวัยวะหลักของการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งปรับให้เข้ากับลักษณะทางกายวิภาคคือใบไม้ ในใบเนื้อเยื่อพาเรงไคมาของรั้วเหล็กมีคลอโรพลาสต์มากที่สุด ในพืชอวบน้ำบางชนิดที่มีใบเสื่อม (เช่น กระบองเพชร) กิจกรรมการสังเคราะห์แสงหลักจะสัมพันธ์กับก้าน

แสงสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงจะถูกจับได้เต็มที่มากขึ้นเนื่องจากรูปร่างของใบไม้แบน ซึ่งมีอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรสูง น้ำถูกส่งจากรากผ่านเครือข่ายหลอดเลือดที่พัฒนาแล้ว (หลอดเลือดดำใบ) คาร์บอนไดออกไซด์เข้ามาบางส่วนโดยการแพร่กระจายผ่านหนังกำพร้าและหนังกำพร้า แต่ส่วนใหญ่จะแพร่กระจายเข้าสู่ใบผ่านปากใบและผ่านใบผ่านช่องว่างระหว่างเซลล์ พืชที่ทำการสังเคราะห์ด้วยแสง CAM ได้พัฒนากลไกพิเศษสำหรับการดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์อย่างแข็งขัน

พื้นที่ภายในของคลอโรพลาสต์เต็มไปด้วยสารไม่มีสี (สโตรมา) และถูกเยื่อหุ้ม (ลาเมลลา) ทะลุผ่าน ซึ่งเมื่อเชื่อมต่อถึงกันจะเกิดเป็นไทลาคอยด์ ซึ่งจะถูกจัดกลุ่มเป็นกอง ๆ ที่เรียกว่ากรานา พื้นที่อินทราไธลาคอยด์ถูกแยกออกจากกันและไม่สื่อสารกับสโตรมาส่วนที่เหลือ สันนิษฐานว่าพื้นที่ภายในของไทลาคอยด์ทั้งหมดสื่อสารกัน ระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นจำกัดอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ การตรึง CO 2 แบบออโตโทรฟิคเกิดขึ้นในสโตรมา

คลอโรพลาสต์มี DNA, RNA, ไรโบโซม (ชนิด 70s) ของตัวเอง และเกิดการสังเคราะห์โปรตีน (แม้ว่ากระบวนการนี้จะถูกควบคุมจากนิวเคลียสก็ตาม) พวกมันจะไม่สังเคราะห์ขึ้นอีก แต่เกิดจากการหารอันก่อนหน้า ทั้งหมดนี้ทำให้สามารถพิจารณาว่าพวกมันเป็นผู้สืบทอดของไซยาโนแบคทีเรียอิสระที่กลายมาเป็นส่วนหนึ่งของเซลล์ยูคาริโอตในระหว่างกระบวนการสร้างซิมไบโอเจเนซิส

ระบบภาพถ่าย I

คอมเพล็กซ์การเก็บเกี่ยวแสง I มีโมเลกุลคลอโรฟิลล์ประมาณ 200 โมเลกุล

ในศูนย์กลางปฏิกิริยาของระบบภาพถ่ายระบบแรกจะมีคลอโรฟิลล์ a ในปริมาณเล็กน้อยซึ่งมีการดูดซึมสูงสุดที่ 700 นาโนเมตร (P700) หลังจากการกระตุ้นด้วยควอนตัมแสง มันจะคืนค่าตัวรับหลัก - คลอโรฟิลล์เอ ซึ่งจะคืนตัวรับรอง (วิตามิน K 1 หรือฟิลโลควิโนน) หลังจากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังเฟอร์ดอกซิน ซึ่งจะลด NADP โดยใช้เอนไซม์ ferredoxin-NADP reductase

โปรตีนพลาสโตไซยานินซึ่งลดลงในคอมเพล็กซ์ b 6 f จะถูกส่งไปยังศูนย์กลางปฏิกิริยาของระบบภาพถ่ายชุดแรกจากด้านข้างของช่องอินทราไทลาคอยด์ และถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยัง P700 ที่ถูกออกซิไดซ์

การขนส่งอิเล็กตรอนแบบ Cyclic และ Pseudocyclic

นอกเหนือจากเส้นทางอิเล็กตรอนที่ไม่ใช่วงจรโดยสมบูรณ์ที่อธิบายไว้ข้างต้นแล้ว ยังมีการค้นพบเส้นทางแบบไซคลิกและไซคลิกหลอกอีกด้วย

สาระสำคัญของวิถีวงจรคือ เฟอร์ดอกซิน แทนที่จะลด NADP จะลดพลาสโตควิโนน ซึ่งจะส่งกลับไปยังคอมเพล็กซ์ b 6 f ซึ่งส่งผลให้มีการไล่ระดับโปรตอนมากขึ้นและ ATP มากขึ้น แต่ไม่มี NADPH

ในวิถีทางเทียมไซคลิก เฟอร์ดอกซินจะลดออกซิเจน ซึ่งจะถูกแปลงเป็นน้ำเพิ่มเติม และสามารถใช้ในระบบภาพถ่าย II ในกรณีนี้ NADPH จะไม่เกิดขึ้นเช่นกัน

เวทีมืด

ในระยะมืดด้วยการมีส่วนร่วมของ ATP และ NADPH CO 2 จะลดลงเป็นกลูโคส (C 6 H 12 O 6) แม้ว่ากระบวนการนี้ไม่จำเป็นต้องใช้แสง แต่ก็มีส่วนเกี่ยวข้องในการควบคุมด้วย

การสังเคราะห์ด้วยแสง C 3 วัฏจักรคาลวิน

ขั้นตอนที่สามเกี่ยวข้องกับโมเลกุล PHA 5 โมเลกุล ซึ่งผ่านการก่อตัวของสารประกอบ 4-, 5-, 6- และ 7-คาร์บอน รวมกันเป็น 3 5-คาร์บอนไรบูโลส-1,5-ไบฟอสเฟต ซึ่งต้องใช้ 3ATP

ในที่สุด จำเป็นต้องมี PHA สองตัวสำหรับการสังเคราะห์กลูโคส ในการสร้างโมเลกุลใดโมเลกุลหนึ่งนั้น จำเป็นต้องมีการปฏิวัติ 6 รอบ, 6 CO 2, 12 NADPH และ 18 ATP

การสังเคราะห์ด้วยแสง C4

บทความหลัก: วงจร Hatch-Slack-Karpilov, การสังเคราะห์ด้วยแสง C4

ที่ความเข้มข้นต่ำของ CO 2 ที่ละลายในสโตรมา ไรบูโลส ไบฟอสเฟต คาร์บอกซีเลสจะเร่งปฏิกิริยาปฏิกิริยาออกซิเดชันของไรบูโลส-1,5-ไบฟอสเฟต และสลายตัวเป็นกรด 3-ฟอสโฟกลีเซอริก และกรดฟอสโฟไกลโคลิก ซึ่งถูกบังคับให้ใช้ในกระบวนการหายใจด้วยแสง .

เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของ CO2 พืชประเภท 4 C เปลี่ยนลักษณะทางกายวิภาคของใบ วัฏจักรคาลวินถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในเซลล์เปลือกของมัดหลอดเลือด ในเซลล์มีโซฟิลล์ ภายใต้การกระทำของ PEP คาร์บอกซิเลส ฟอสโฟอีนอลไพรูเวตจะถูกเติมคาร์บอกซิเลตให้กลายเป็นกรดออกซาโลอะซิติก ซึ่งถูกเปลี่ยนเป็นมาเลตหรือแอสพาร์เทต และขนส่งไปยังเซลล์ของเปลือก จะถูกดีคาร์บอกซีเลตไปเป็นไพรูเวต และจะถูกส่งกลับไปยังเซลล์มีโซฟิลล์

ด้วยค่า 4 การสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ได้มาพร้อมกับการสูญเสียไรบูโลส-1,5-ไบฟอสเฟตจากวัฏจักรคาลวิน ดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพมากกว่า อย่างไรก็ตาม ไม่จำเป็นต้องใช้ ATP 18 แต่ 30 ATP สำหรับการสังเคราะห์กลูโคส 1 โมเลกุล สิ่งนี้เป็นสิ่งที่สมเหตุสมผลในเขตร้อน ซึ่งสภาพอากาศร้อนจำเป็นต้องปิดปากใบ ซึ่งป้องกันไม่ให้ CO 2 เข้าไปในใบ เช่นเดียวกับกลยุทธ์การใช้ชีวิตแบบหางเสือ

การสังเคราะห์ด้วยแสงนั่นเอง

ต่อมาพบว่านอกจากจะปล่อยออกซิเจนแล้ว พืชยังดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์และสังเคราะห์อินทรียวัตถุในแสงด้วยการมีส่วนร่วมของน้ำ ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน โรเบิร์ต เมเยอร์ตั้งสมมติฐานว่าพืชแปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์เป็นพลังงานของพันธะเคมี W. Pfeffer เรียกกระบวนการนี้ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง

คลอโรฟิลล์ถูกแยกได้ครั้งแรกโดย P. J. Peltier และ J. Caventou M. S. Tsvet สามารถแยกเม็ดสีและศึกษาแยกกันโดยใช้วิธีโครมาโตกราฟีที่เขาสร้างขึ้น สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของคลอโรฟิลล์ได้รับการศึกษาโดย K. A. Timiryazev ผู้พัฒนาหลักการของ Mayer แสดงให้เห็นว่ามันเป็นรังสีดูดกลืนที่ทำให้สามารถเพิ่มพลังงานของระบบได้ สร้างพันธะ C-C พลังงานสูงแทนพันธะ C-O และ O-H ที่อ่อนแอ ( ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าในการสังเคราะห์ด้วยแสงจะใช้รังสีสีเหลืองซึ่งไม่ถูกดูดซับโดยเม็ดสีของใบ) สิ่งนี้ทำได้ด้วยวิธีที่เขาสร้างขึ้นสำหรับการบัญชีสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยอาศัย CO 2 ที่ถูกดูดซับ: ในระหว่างการทดลองส่องสว่างพืชด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกัน (สีต่างกัน) ปรากฎว่าความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นพร้อมกับสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของคลอโรฟิลล์ .

ธรรมชาติรีดอกซ์ของการสังเคราะห์ด้วยแสง (ทั้งออกซิเจนและอะออกซิเจน) ได้รับการตั้งสมมติฐานโดย Cornelis van Niel ซึ่งหมายความว่าออกซิเจนในการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นถูกสร้างขึ้นจากน้ำทั้งหมด ซึ่งได้รับการยืนยันจากการทดลองโดย A.P. Vinogradov ในการทดลองโดยใช้ฉลากไอโซโทป Robert Hill พบว่ากระบวนการออกซิเดชันของน้ำ (และการปล่อยออกซิเจน) และการดูดกลืน CO 2 สามารถแยกออกจากกันได้ W.D. Arnon ได้สร้างกลไกของระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง และเมลวิน คาลวินได้เปิดเผยแก่นแท้ของกระบวนการดูดซึม CO 2 โดยใช้ไอโซโทปคาร์บอนในช่วงปลายทศวรรษ 1940 ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล

ข้อเท็จจริงอื่น ๆ

ดูสิ่งนี้ด้วย

วรรณกรรม

• ฮอล ดี., เรา เค.การสังเคราะห์ด้วยแสง: การแปล จากอังกฤษ - อ.: มีร์, 2526.
• สรีรวิทยาของพืช / เอ็ด ศาสตราจารย์ Ermakova I.P. - M.: Academy, 2550
• อณูชีววิทยาของเซลล์ / Albertis B., Bray D. et al. - อ.: มีร์, 1994
• รูบิน เอ.บี.ชีวฟิสิกส์ ใน 2 ฉบับ - อ.: สำนักพิมพ์. มหาวิทยาลัยมอสโกและวิทยาศาสตร์ 2547
• Chernavskaya N. M. ,

กระบวนการแปลงพลังงานรังสีจากดวงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมีโดยใช้พลังงานอย่างหลังในการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตจากคาร์บอนไดออกไซด์ นี่เป็นวิธีเดียวที่จะจับพลังงานแสงอาทิตย์และนำไปใช้เพื่อชีวิตบนโลกของเรา

การจับและการเปลี่ยนแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ดำเนินการโดยสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงหลายชนิด (photoautotrophs) ซึ่งรวมถึงสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (พืชสีเขียวชั้นสูงและรูปแบบด้านล่าง - สาหร่ายสีเขียว สีน้ำตาล และสีแดง) และสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว (ยูกลีนา ไดโนแฟลเจลเลต และไดอะตอม) สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงกลุ่มใหญ่คือโปรคาริโอต - สาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียว, แบคทีเรียสีเขียวและสีม่วง งานสังเคราะห์แสงบนโลกประมาณครึ่งหนึ่งดำเนินการโดยพืชสีเขียวที่สูงขึ้น และอีกครึ่งหนึ่งดำเนินการโดยสาหร่ายเซลล์เดียวเป็นหลัก

แนวคิดแรกเกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในศตวรรษที่ 17 ต่อมาเมื่อมีข้อมูลใหม่ แนวคิดเหล่านี้ก็เปลี่ยนแปลงไปหลายครั้ง [แสดง] .

การพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสง

การศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มขึ้นในปี 1630 เมื่อแวน เฮลมอนต์แสดงให้เห็นว่าพืชก่อตัวเป็นสารอินทรีย์และไม่ได้มาจากดิน ด้วยการชั่งน้ำหนักกระถางดินที่วิลโลว์เติบโตและตัวต้นไม้เอง เขาแสดงให้เห็นว่าตลอดระยะเวลา 5 ปี มวลของต้นไม้เพิ่มขึ้น 74 กิโลกรัม ในขณะที่ดินสูญเสียไปเพียง 57 กรัม สรุปว่าต้นไม้ได้รับ อาหารที่เหลือจากน้ำที่ใช้รดน้ำต้นไม้ ตอนนี้เรารู้แล้วว่าวัสดุหลักในการสังเคราะห์คือคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งสกัดโดยพืชจากอากาศ

ในปี ค.ศ. 1772 โจเซฟ พรีสต์ลีย์แสดงให้เห็นว่ามิ้นต์งอก "แก้ไข" อากาศที่ "ปนเปื้อน" ด้วยเทียนที่จุดอยู่ เจ็ดปีต่อมา แจน อินเกนฮุส ค้นพบว่าพืชสามารถ “แก้ไข” อากาศเสียได้โดยการอยู่ท่ามกลางแสงเท่านั้น และความสามารถของพืชในการ “แก้ไข” อากาศนั้นแปรผันตามความชัดเจนของวันและระยะเวลาที่พืชยังคงอยู่ในนั้น ดวงอาทิตย์. ในความมืด ต้นไม้จะปล่อยอากาศที่ “เป็นอันตรายต่อสัตว์”

ขั้นตอนสำคัญถัดไปในการพัฒนาความรู้เกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการทดลองของโซซูร์ซึ่งดำเนินการในปี 1804 ด้วยการชั่งน้ำหนักอากาศและพืชก่อนและหลังการสังเคราะห์ด้วยแสง Saussure พบว่าการเพิ่มขึ้นของมวลแห้งของพืชมีมากกว่ามวลคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกดูดซับจากอากาศ โซซูร์สรุปว่าสารอีกชนิดหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มมวลก็คือน้ำ ดังนั้นเมื่อ 160 ปีที่แล้ว กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงจึงถูกจินตนาการไว้ดังนี้:

H 2 O + CO 2 + hv -> C 6 H 12 O 6 + O 2

น้ำ + คาร์บอนไดออกไซด์ + พลังงานแสงอาทิตย์ ----> สารอินทรีย์ + ออกซิเจน

Ingenhues เสนอว่าบทบาทของแสงในการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการสลายคาร์บอนไดออกไซด์ ในกรณีนี้ ออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมา และ "คาร์บอน" ที่ปล่อยออกมาจะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเนื้อเยื่อพืช บนพื้นฐานนี้ สิ่งมีชีวิตถูกแบ่งออกเป็นพืชสีเขียวซึ่งสามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อ "ดูดซับ" คาร์บอนไดออกไซด์ และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่ไม่มีคลอโรฟิลล์ ซึ่งไม่สามารถใช้พลังงานแสงและไม่สามารถดูดซึม CO 2 ได้

หลักการแบ่งโลกสิ่งมีชีวิตถูกละเมิดเมื่อ S. N. Winogradsky ในปี 1887 ค้นพบแบคทีเรียสังเคราะห์ทางเคมี ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่ปราศจากคลอโรฟิลล์ที่สามารถดูดซึม (เช่น เปลี่ยนเป็นสารประกอบอินทรีย์) คาร์บอนไดออกไซด์ในความมืด มันก็หยุดชะงักเช่นกันเมื่อในปี 1883 เองเกลมันน์ค้นพบแบคทีเรียสีม่วงที่ทำการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งไม่ได้มาพร้อมกับการปล่อยออกซิเจน ครั้งหนึ่งข้อเท็จจริงนี้ไม่ได้รับการชื่นชมอย่างเพียงพอ ในขณะเดียวกัน การค้นพบแบคทีเรียสังเคราะห์ทางเคมีที่ดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์ในที่มืดแสดงให้เห็นว่าการดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์ไม่สามารถถือเป็นลักษณะเฉพาะของการสังเคราะห์ด้วยแสงเพียงอย่างเดียวได้

หลังปี 1940 ต้องขอบคุณการใช้คาร์บอนที่มีป้ายกำกับ เป็นที่ยอมรับว่าเซลล์ทุกชนิด ทั้งพืช แบคทีเรีย และสัตว์ สามารถดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ กล่าวคือ รวมเข้าไปในโมเลกุลของสารอินทรีย์ เฉพาะแหล่งที่มาที่พวกเขาดึงพลังงานที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้เท่านั้นที่แตกต่างกัน

การสนับสนุนที่สำคัญอีกประการหนึ่งในการศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในปี 1905 โดยแบล็กแมน ซึ่งค้นพบว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงประกอบด้วยปฏิกิริยาลำดับสองประการ: ปฏิกิริยาแสงเร็วและลำดับขั้นตอนที่ช้ากว่าและไม่ขึ้นอยู่กับแสง ซึ่งเขาเรียกว่าปฏิกิริยาอัตรา แบล็กแมนแสดงให้เห็นว่าการใช้แสงความเข้มสูงแสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงดำเนินไปในอัตราเดียวกันภายใต้แสงที่ไม่ต่อเนื่อง โดยที่แสงวาบจะกินเวลาเพียงเศษเสี้ยววินาทีภายใต้แสงต่อเนื่อง แม้ว่าในกรณีแรกระบบการสังเคราะห์แสงจะได้รับพลังงานเพียงครึ่งเดียวก็ตาม ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงลดลงเฉพาะเมื่อเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงเวลาที่มืดเท่านั้น ในการศึกษาเพิ่มเติม พบว่าอัตราของปฏิกิริยาความมืดเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

สมมติฐานต่อไปเกี่ยวกับพื้นฐานทางเคมีของการสังเคราะห์ด้วยแสงถูกเสนอโดยฟาน นีล ซึ่งในปี 1931 ทดลองแสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงในแบคทีเรียสามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน โดยไม่ต้องปล่อยออกซิเจน Van Niel เสนอว่า โดยหลักการแล้ว กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงมีความคล้ายคลึงกันในแบคทีเรียและในพืชสีเขียว ในระยะหลังใช้พลังงานแสงสำหรับโฟโตไลซิสของน้ำ (H 2 0) โดยมีการก่อตัวของสารรีดิวซ์ (H) ซึ่งถูกกำหนดโดยการมีส่วนร่วมในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์และสารออกซิไดซ์ (OH) ซึ่งเป็นสารตั้งต้นสมมุติฐานของ ออกซิเจนโมเลกุล ในแบคทีเรีย การสังเคราะห์ด้วยแสงโดยทั่วไปจะดำเนินการในลักษณะเดียวกัน แต่ผู้ให้ไฮโดรเจนคือ H 2 S หรือโมเลกุลไฮโดรเจน ดังนั้นออกซิเจนจึงไม่ถูกปล่อยออกมา

แนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสง

ตามแนวคิดสมัยใหม่ สาระสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการแปลงพลังงานการแผ่รังสีของแสงแดดเป็นพลังงานเคมีในรูปของ ATP และลดนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ฟอสเฟต (NADP) · ญ)

ปัจจุบันเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่ากระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงประกอบด้วยสองขั้นตอน โดยที่โครงสร้างการสังเคราะห์แสงจะเข้ามามีส่วนร่วม [แสดง] และเม็ดสีของเซลล์ไวแสง

โครงสร้างการสังเคราะห์ด้วยแสง

ในแบคทีเรียโครงสร้างการสังเคราะห์ด้วยแสงถูกนำเสนอในรูปแบบของการบุกรุกของเยื่อหุ้มเซลล์ทำให้เกิดออร์แกเนลล์ลาเมลลาร์ของเมโซโซม มีโซโซมที่แยกได้ที่ได้จากการทำลายของแบคทีเรียเรียกว่าโครมาโตฟอร์ซึ่งมีความเข้มข้นอยู่ในอุปกรณ์ที่ไวต่อแสง

ในยูคาริโอตอุปกรณ์สังเคราะห์แสงตั้งอยู่ในออร์แกเนลล์ในเซลล์พิเศษ - คลอโรพลาสต์ซึ่งมีคลอโรฟิลล์เม็ดสีเขียวซึ่งทำให้พืชมีสีเขียวและมีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยจับพลังงานของแสงแดด คลอโรพลาสต์ เช่น ไมโตคอนเดรีย ยังมี DNA, RNA และอุปกรณ์สำหรับการสังเคราะห์โปรตีน กล่าวคือ พวกมันมีความสามารถที่มีศักยภาพในการสืบพันธุ์ด้วยตัวเอง คลอโรพลาสต์มีขนาดใหญ่กว่าไมโตคอนเดรียหลายเท่า จำนวนคลอโรพลาสต์มีตั้งแต่ 1 ในสาหร่ายไปจนถึง 40 ต่อเซลล์ในพืชชั้นสูง

นอกจากคลอโรพลาสต์แล้ว เซลล์ของพืชสีเขียวยังมีไมโตคอนเดรียซึ่งใช้ในการผลิตพลังงานในเวลากลางคืนผ่านการหายใจ เช่นเดียวกับในเซลล์เฮเทอโรโทรฟิค

คลอโรพลาสต์มีรูปร่างเป็นทรงกลมหรือแบน ล้อมรอบด้วยเยื่อสองแผ่น - ด้านนอกและด้านใน (รูปที่ 1) เมมเบรนชั้นในถูกจัดเรียงในรูปแบบของกองดิสก์ที่มีลักษณะคล้ายฟองแบน กองนี้เรียกว่ากรานา

แต่ละเมล็ดประกอบด้วยแต่ละชั้นที่จัดเรียงเหมือนเสาเหรียญ ชั้นของโมเลกุลโปรตีนสลับกับชั้นที่มีคลอโรฟิลล์ แคโรทีน และเม็ดสีอื่นๆ รวมถึงไขมันรูปแบบพิเศษ (ประกอบด้วยกาแลคโตสหรือซัลเฟอร์ แต่มีกรดไขมันเพียงชนิดเดียว) ลิพิดของสารลดแรงตึงผิวเหล่านี้ดูเหมือนจะถูกดูดซับระหว่างแต่ละชั้นของโมเลกุล และทำหน้าที่รักษาเสถียรภาพของโครงสร้าง ซึ่งประกอบด้วยชั้นโปรตีนและเม็ดสีที่สลับกัน โครงสร้างแบบชั้น (ลาเมลลาร์) ของกรานาน่าจะอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนพลังงานระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจากโมเลกุลหนึ่งไปยังโมเลกุลใกล้เคียง

ในสาหร่ายแต่ละคลอโรพลาสต์มีไม่เกินหนึ่งเมล็ดและในพืชชั้นสูงจะมีเมล็ดมากถึง 50 เม็ดซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยสะพานเมมเบรน สภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำระหว่างกรานาคือสโตรมาของคลอโรพลาสต์ซึ่งมีเอนไซม์ที่ทำปฏิกิริยา "ปฏิกิริยาความมืด"

โครงสร้างคล้ายตุ่มที่ประกอบเป็นกรานาเรียกว่าไทแลคตอยด์ มีไทแลคตอยด์ตั้งแต่ 10 ถึง 20 ตัวในกราน่า

หน่วยโครงสร้างและหน้าที่เบื้องต้นของการสังเคราะห์ด้วยแสงของเมมเบรนไทแลคตอยด์ ซึ่งมีเม็ดสีดักจับแสงที่จำเป็นและส่วนประกอบของอุปกรณ์เปลี่ยนรูปพลังงาน เรียกว่าควอนโตโซม ซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลคลอโรฟิลล์ประมาณ 230 โมเลกุล อนุภาคนี้มีมวลประมาณ 2 x 10 6 ดาลตัน และมีขนาดประมาณ 17.5 นาโนเมตร

พืชบกดูดซับน้ำที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงผ่านทางราก ในขณะที่พืชน้ำจะได้รับน้ำจากการแพร่กระจายจากสิ่งแวดล้อม คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงแพร่กระจายเข้าสู่พืชผ่านรูเล็ก ๆ บนพื้นผิวของใบ - ปากใบ เนื่องจากคาร์บอนไดออกไซด์ถูกใช้หมดในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง ความเข้มข้นในเซลล์จึงมักจะต่ำกว่าในบรรยากาศเล็กน้อย ออกซิเจนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจะกระจายออกจากเซลล์แล้วออกจากพืชผ่านทางปากใบ น้ำตาลที่ผลิตในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงยังแพร่กระจายไปยังส่วนต่างๆ ของพืชที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า

ในการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชต้องการอากาศจำนวนมาก เนื่องจากมีคาร์บอนไดออกไซด์เพียง 0.03% ดังนั้นจากอากาศ 10,000 m 3 สามารถรับคาร์บอนไดออกไซด์ได้ 3 m 3 ซึ่งกลูโคสประมาณ 110 กรัมจะเกิดขึ้นในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง โดยทั่วไปแล้วพืชจะเจริญเติบโตได้ดีขึ้นเมื่อมีระดับคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศสูงขึ้น ดังนั้นในโรงเรือนบางแห่ง ปริมาณ CO 2 ในอากาศจึงถูกปรับเป็น 1-5%

พลังงานแสงอาทิตย์และเม็ดสีต่างๆ มีส่วนร่วมในการใช้ฟังก์ชันโฟโตเคมีของการสังเคราะห์ด้วยแสง: สีเขียว - คลอโรฟิลล์ a และ b, สีเหลือง - แคโรทีนอยด์และสีแดงหรือสีน้ำเงิน - ไฟโคบิลิน ในบรรดาเม็ดสีที่ซับซ้อนนี้ มีเพียงคลอโรฟิลล์ a เท่านั้นที่มีฤทธิ์ทางเคมีเชิงแสง เม็ดสีที่เหลือมีบทบาทสนับสนุน โดยเป็นเพียงตัวสะสมควอนตัมแสง (เลนส์เก็บแสงชนิดหนึ่ง) และตัวนำไปยังศูนย์โฟโตเคมีคอล

ขึ้นอยู่กับความสามารถของคลอโรฟิลล์ในการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงความยาวคลื่นหนึ่ง ศูนย์โฟโตเคมีเชิงฟังก์ชันหรือระบบภาพถ่ายถูกระบุในเยื่อหุ้มไทแลคตอยด์ (รูปที่ 3):

• ระบบถ่ายภาพ I (คลอโรฟิลล์ ก) - มีเม็ดสี 700 (P 700) ดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นประมาณ 700 นาโนเมตร มีบทบาทสำคัญในการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง: ATP และ NADP · เอช 2
• ระบบแสง II (คลอโรฟิลล์ ข) - มีเม็ดสี 680 (P 680) ซึ่งดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่น 680 นาโนเมตร มีบทบาทเสริมโดยการเติมอิเล็กตรอนที่สูญเสียไปจากระบบภาพถ่าย I ผ่านโฟโตไลซิสของน้ำ

สำหรับทุกๆ 300-400 โมเลกุลของเม็ดสีที่ใช้จับแสงในระบบภาพถ่าย I และ II จะมีเม็ดสีที่ออกฤทธิ์ทางเคมีด้วยแสงเพียงโมเลกุลเดียวเท่านั้น นั่นก็คือ คลอโรฟิลล์ เอ

ควอนตัมแสงที่พืชดูดกลืน

• ถ่ายโอนเม็ดสี P 700 จากสถานะพื้นดินไปสู่สถานะตื่นเต้น - P * 700 ซึ่งมันจะสูญเสียอิเล็กตรอนอย่างง่ายดายด้วยการก่อตัวของรูอิเล็กตรอนบวกในรูปแบบของ P 700 + ตามรูปแบบ:

  ป 700 ---> ป * 700 ---> ป + 700 + อี -

  หลังจากนั้นโมเลกุลเม็ดสีที่สูญเสียอิเล็กตรอนไปสามารถทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนได้ (สามารถรับอิเล็กตรอนได้) และเปลี่ยนรูปเป็นรูปแบบรีดิวซ์

• ทำให้เกิดการย่อยสลาย (โฟโตออกซิเดชัน) ของน้ำในศูนย์โฟโตเคมีคอล P 680 ของระบบโฟโตซิส II ตามแบบแผน

  เอช 2 โอ ---> 2H + + 2e - + 1/2O 2

  ปฏิกิริยาโฟโตไลซิสของน้ำเรียกว่าปฏิกิริยาฮิลล์ อิเล็กตรอนที่ผลิตขึ้นระหว่างการสลายตัวของน้ำจะได้รับการยอมรับในขั้นต้นโดยสารที่เรียกว่า Q (บางครั้งเรียกว่าไซโตโครม C 550 เนื่องจากมีการดูดซึมสูงสุด แม้ว่าจะไม่ใช่ไซโตโครมก็ตาม) จากนั้นจากสาร Q ผ่านสายโซ่ของพาหะที่มีองค์ประกอบคล้ายกับไมโตคอนเดรีย อิเล็กตรอนจะถูกส่งไปยังระบบภาพถ่าย I เพื่อเติมรูอิเล็กตรอนที่เกิดจากการดูดซับควอนตัมแสงโดยระบบและคืนค่าเม็ดสี P + 700

หากโมเลกุลดังกล่าวได้รับอิเล็กตรอนตัวเดิมกลับมา พลังงานแสงจะถูกปล่อยออกมาในรูปของความร้อนและการเรืองแสง (เนื่องจากการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์บริสุทธิ์) อย่างไรก็ตาม ในกรณีส่วนใหญ่ อิเล็กตรอนที่มีประจุลบที่ปล่อยออกมาจะได้รับการยอมรับโดยโปรตีนเหล็ก-ซัลเฟอร์ชนิดพิเศษ (ศูนย์กลาง FeS) จากนั้น

1. หรือถูกขนส่งไปตามโซ่พาหะอันใดอันหนึ่งกลับไปที่ P+700 เพื่อเติมเต็มรูอิเล็กตรอน
2. หรือตามสายโซ่ขนส่งอื่นผ่านเฟอร์ดอกซินและฟลาโวโปรตีนไปยังตัวรับถาวร - NADP · เอช 2

ในกรณีแรก การขนส่งอิเล็กตรอนแบบไซคลิกแบบปิดเกิดขึ้น และในกรณีที่สอง การขนส่งแบบไม่ใช่วงจรจะเกิดขึ้น

กระบวนการทั้งสองถูกเร่งปฏิกิริยาโดยห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนเดียวกัน อย่างไรก็ตาม ในระหว่างโฟโตฟอสโฟรีเลชั่นแบบไซคลิก อิเล็กตรอนจะถูกส่งกลับจากคลอโรฟิลล์ กกลับไปสู่คลอโรฟิลล์ กในขณะที่อิเล็กตรอนโฟโตฟอสโฟรีเลชั่นแบบไม่เป็นวงจรจะถูกถ่ายโอนจากคลอโรฟิลล์ b ไปยังคลอโรฟิลล์ ก.

ดังนั้นอิเล็กตรอนที่สูญเสียไปโดย P 700 จะถูกเติมเต็มโดยอิเล็กตรอนจากน้ำที่สลายตัวภายใต้อิทธิพลของแสงในระบบภาพถ่าย II

ก+ สถานะพื้นดิน เห็นได้ชัดว่าเกิดขึ้นจากการกระตุ้นของคลอโรฟิลล์ ข- อิเล็กตรอนพลังงานสูงเหล่านี้ผ่านไปยังเฟอร์ดอกซิน จากนั้นผ่านฟลาโวโปรตีนและไซโตโครมไปยังคลอโรฟิลล์ ก- ในขั้นตอนสุดท้ายฟอสโฟรีเลชั่นของ ADP ถึง ATP จะเกิดขึ้น (รูปที่ 5)

อิเล็กตรอนจำเป็นต้องคืนคลอโรฟิลล์ วีสถานะพื้นของมันอาจมาจาก OH - ไอออนที่เกิดขึ้นระหว่างการแยกตัวของน้ำ โมเลกุลของน้ำบางส่วนแยกตัวออกเป็นไอออน H + และ OH - อันเป็นผลมาจากการสูญเสียอิเล็กตรอน OH - ไอออนจะถูกแปลงเป็นอนุมูล (OH) ซึ่งต่อมาผลิตโมเลกุลของน้ำและก๊าซออกซิเจน (รูปที่ 6)

ทฤษฎีด้านนี้ได้รับการยืนยันจากผลการทดลองกับน้ำและ CO 2 ที่มีป้ายกำกับ 18 0 [แสดง] .

จากผลลัพธ์เหล่านี้ ก๊าซออกซิเจนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงมาจากน้ำ ไม่ใช่จาก CO 2 ยังไม่มีการศึกษาปฏิกิริยาการแยกตัวของน้ำอย่างละเอียด อย่างไรก็ตาม เป็นที่ชัดเจนว่าการดำเนินการตามปฏิกิริยาตามลำดับทั้งหมดของโฟโตฟอสโฟรีเลชั่นแบบไม่เป็นวงจร (รูปที่ 5) รวมถึงการกระตุ้นของโมเลกุลคลอโรฟิลล์หนึ่งโมเลกุล กและคลอโรฟิลล์หนึ่งโมเลกุล ขควรนำไปสู่การก่อตัวของ NADP หนึ่งโมเลกุล · H คือ ATP โมเลกุลตั้งแต่ 2 โมเลกุลขึ้นไปจาก ADP และ Pn และจนถึงการปล่อยออกซิเจนหนึ่งอะตอม ซึ่งต้องใช้แสงอย่างน้อยสี่ควอนตา โดยสองควอนต้าสำหรับแต่ละโมเลกุลคลอโรฟิลล์

การไหลของอิเล็กตรอนแบบไม่เป็นวงจรจาก H 2 O ถึง NADP · H2 ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการทำงานร่วมกันของระบบภาพถ่ายสองระบบและห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนที่เชื่อมต่อกันนั้น สังเกตได้ว่าตรงกันข้ามกับค่าของศักย์รีดอกซ์: E° สำหรับ 1/2O2/H2O = +0.81 V และ E° สำหรับ NADP/NADP · H = -0.32 V. พลังงานแสงจะกลับการไหลของอิเล็กตรอน เป็นสิ่งสำคัญที่เมื่อถ่ายโอนจากระบบภาพถ่าย II ไปยังระบบภาพถ่าย I พลังงานอิเล็กตรอนส่วนหนึ่งจะถูกสะสมในรูปของศักยภาพของโปรตอนบนเยื่อหุ้มไทแลคตอยด์ จากนั้นจึงกลายเป็นพลังงาน ATP

กลไกการก่อตัวของศักยภาพของโปรตอนในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนและการใช้สำหรับการก่อตัวของ ATP ในคลอโรพลาสต์นั้นคล้ายคลึงกับกลไกในไมโตคอนเดรีย อย่างไรก็ตาม มีลักษณะเฉพาะบางประการในกลไกโฟโตฟอสโฟรีเลชั่น ไทแลคตอยด์เป็นเหมือนไมโตคอนเดรียที่กลับด้านในออก ดังนั้นทิศทางของการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและโปรตอนผ่านเมมเบรนจึงตรงกันข้ามกับทิศทางในเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย (รูปที่ 6) อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกไปด้านนอก และโปรตอนรวมตัวอยู่ภายในเมทริกซ์ไทแลคตอยด์ เมทริกซ์นั้นมีประจุบวกและเยื่อหุ้มชั้นนอกของไทแลคตอยด์นั้นมีประจุลบนั่นคือทิศทางของการไล่ระดับโปรตอนอยู่ตรงข้ามกับทิศทางของมันในไมโตคอนเดรีย

คุณสมบัติอีกประการหนึ่งคือสัดส่วน pH ในศักยภาพของโปรตอนมีขนาดใหญ่กว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับไมโตคอนเดรีย ไทแลคตอยด์เมทริกซ์มีความเป็นกรดสูง ดังนั้น Δ pH สามารถเข้าถึง 0.1-0.2 V ในขณะที่ Δ Ψ อยู่ที่ประมาณ 0.1 V ค่าโดยรวมของ Δ μ H+ > 0.25 V

H + -ATP synthetase ที่กำหนดในคลอโรพลาสต์ว่าเป็นคอมเพล็กซ์ "CF 1 + F 0" ก็มุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามเช่นกัน ส่วนหัว (F 1) มองออกไปด้านนอก ไปทางสโตรมาของคลอโรพลาสต์ โปรตอนถูกผลักออกจากเมทริกซ์ผ่าน CF 0 + F 1 และ ATP ก่อตัวขึ้นที่ศูนย์กลางกัมมันต์ของ F 1 เนื่องจากพลังงานของศักยภาพของโปรตอน

เห็นได้ชัดว่าสายโซ่ไทแลคตอยด์ต่างจากสายโซ่ไมโตคอนเดรียตรงที่มีจุดเชื่อมต่อกันเพียงสองจุด ดังนั้นการสังเคราะห์โมเลกุล ATP หนึ่งโมเลกุลต้องใช้โปรตอนสามตัวแทนที่จะเป็นสองตัว กล่าวคือ อัตราส่วน ATP ที่ 3 H + /1 โมล

ดังนั้นในระยะแรกของการสังเคราะห์ด้วยแสง ในระหว่างปฏิกิริยาแสง ATP และ NADP จะถูกสร้างขึ้นในสโตรมาของคลอโรพลาสต์ · H - ผลิตภัณฑ์ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาที่มืด

ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงที่มืดเป็นกระบวนการรวมคาร์บอนไดออกไซด์เข้ากับอินทรียวัตถุเพื่อสร้างคาร์โบไฮเดรต (การสังเคราะห์ด้วยแสงของกลูโคสจาก CO 2) ปฏิกิริยาเกิดขึ้นในสโตรมาของคลอโรพลาสต์โดยการมีส่วนร่วมของผลิตภัณฑ์ในระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง - ATP และ NADP · H2.

การดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์ (โฟโตเคมีคอลคาร์บอกซิเลชัน) เป็นกระบวนการแบบวงจร หรือที่เรียกว่าวงจรการสังเคราะห์แสงของเพนโตสฟอสเฟต หรือวงจรคาลวิน (รูปที่ 7) มีสามขั้นตอนหลักในนั้น:

• คาร์บอกซิเลชัน (การตรึง CO 2 ด้วยไรบูโลสไดฟอสเฟต)
• การลดลง (การก่อตัวของไตรโอสฟอสเฟตระหว่างการลด 3-ฟอสโฟกลีเซอเรต)
• การฟื้นฟูไรบูโลส ไดฟอสเฟต

ไรบูโลส 5-ฟอสเฟต (น้ำตาลที่มีคาร์บอน 5 อะตอมโดยมีปริมาณฟอสเฟตอยู่ที่คาร์บอน 5) ผ่านกระบวนการฟอสโฟรีเลชั่นโดย ATP ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของไรบูโลส ไดฟอสเฟต สารหลังนี้ถูกคาร์บอกซิเลตโดยการเติม CO 2 ซึ่งดูเหมือนจะเป็นสารตัวกลางที่มีคาร์บอน 6 ตัว ซึ่งจะถูกแยกออกทันทีโดยการเติมโมเลกุลของน้ำ ทำให้เกิดกรดฟอสโฟกลีเซอริกสองโมเลกุล จากนั้นกรดฟอสโฟกลีเซอริกจะถูกรีดิวซ์ผ่านปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่ต้องมี ATP และ NADP · H ด้วยการก่อตัวของฟอสโฟกลีเซอรัลดีไฮด์ (น้ำตาลสามคาร์บอน - ไตรโรส) จากการควบแน่นของไทรโอสสองตัวดังกล่าว ทำให้เกิดโมเลกุลเฮกโซสซึ่งสามารถรวมอยู่ในโมเลกุลแป้งและเก็บไว้เป็นสารสำรอง

เพื่อให้วัฏจักรนี้สมบูรณ์ การสังเคราะห์ด้วยแสงจะดูดซับ CO2 1 โมเลกุล และใช้ ATP 3 โมเลกุลและอะตอม 4 H (ติดอยู่กับ NAD 2 โมเลกุล) · ญ) จากเฮกโซสฟอสเฟตผ่านปฏิกิริยาบางอย่างของวัฏจักรเพนโตสฟอสเฟต (รูปที่ 8) ไรบูโลสฟอสเฟตจะถูกสร้างขึ้นใหม่ซึ่งสามารถเกาะติดโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์อื่นเข้ากับตัวมันเองได้อีกครั้ง

ปฏิกิริยาที่อธิบายไว้ใดๆ เช่น คาร์บอกซิเลชัน การลดลง หรือการสร้างใหม่ ไม่สามารถพิจารณาได้เฉพาะกับเซลล์สังเคราะห์แสงเท่านั้น ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวที่พวกเขาพบคือปฏิกิริยารีดักชั่นที่เปลี่ยนกรดฟอสโฟกลีเซอริกเป็นฟอสโฟกลีเซอรัลดีไฮด์นั้นต้องใช้ NADP · ยังไม่จบ · เอ็น..เหมือนเดิม..

การตรึง CO 2 โดยไรบูโลส ไดฟอสเฟต ถูกเร่งด้วยเอนไซม์ไรบูโลส ไดฟอสเฟต คาร์บอกซีเลส: ไรบูโลส ไดฟอสเฟต + CO 2 --> 3-ฟอสโฟกลีเซอเรต ต่อไป, 3-ฟอสโฟกลีเซอเรต จะลดลงโดยใช้ NADP · H 2 และ ATP ถึงกลีเซอราลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต ปฏิกิริยานี้ถูกเร่งโดยเอนไซม์กลีเซอรัลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตดีไฮโดรจีเนส กลีเซอรอลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตสามารถไอโซเมอร์ไรซ์เป็นไดไฮดรอกซีอะซีโตนฟอสเฟตได้อย่างง่ายดาย ไตรโอสฟอสเฟตทั้งสองถูกนำมาใช้ในการก่อตัวของฟรุกโตสบิสฟอสเฟต (ปฏิกิริยาย้อนกลับที่เร่งปฏิกิริยาโดยฟรุกโตสบิสฟอสเฟตอัลโดเลส) ส่วนหนึ่งของโมเลกุลของฟรุกโตสบิสฟอสเฟตที่เกิดขึ้นจะมีส่วนร่วมร่วมกับไตรโอสฟอสเฟตในการสร้างไรบูโลสบิสฟอสเฟตขึ้นใหม่ (ปิดวงจร) และอีกส่วนหนึ่งใช้เก็บคาร์โบไฮเดรตในเซลล์สังเคราะห์แสง ดังแสดงในแผนภาพ

คาดว่าการสังเคราะห์กลูโคสหนึ่งโมเลกุลจาก CO 2 ในวัฏจักรคาลวินต้องใช้ NADP 12 ตัว · H + H + และ 18 ATP (ใช้โมเลกุล ATP 12 โมเลกุลในการลด 3-phosphoglycerate และ 6 โมเลกุลใช้ในปฏิกิริยาการฟื้นฟูของไรบูโลสไดฟอสเฟต) อัตราส่วนขั้นต่ำ - 3 ATP: 2 NADP · ยังไม่มีข้อความ 2

เราสามารถสังเกตเห็นความเหมือนกันของหลักการที่เป็นรากฐานของการสังเคราะห์ด้วยแสงและออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น และโฟโตฟอสโฟรีเลชั่นก็คือ ในทางกลับกัน ฟอสโฟรีเลชั่นออกซิเดชันแบบออกซิเดชัน:

พลังงานแสงเป็นแรงผลักดันเบื้องหลังฟอสโฟรีเลชันและการสังเคราะห์สารอินทรีย์ (S-H 2) ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง และในทางกลับกัน พลังงานของการเกิดออกซิเดชันของสารอินทรีย์ในระหว่างการออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชัน ดังนั้นจึงเป็นพืชที่ให้ชีวิตแก่สัตว์และสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างอื่น ๆ :

คาร์โบไฮเดรตที่ผลิตขึ้นในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงทำหน้าที่สร้างโครงกระดูกคาร์บอนของสารอินทรีย์จากพืชหลายชนิด สารออร์กาโนโตรเจนถูกดูดซับโดยสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงโดยการลดไนเตรตอนินทรีย์หรือไนโตรเจนในบรรยากาศ และกำมะถันถูกดูดซับโดยการลดซัลเฟตให้กลายเป็นกลุ่มซัลโฟไฮดริลของกรดอะมิโน การสังเคราะห์ด้วยแสงช่วยให้มั่นใจได้ถึงการสร้างไม่เพียงแต่โปรตีน กรดนิวคลีอิก คาร์โบไฮเดรต ไขมัน โคแฟคเตอร์ที่จำเป็นสำหรับชีวิต แต่ยังรวมถึงผลิตภัณฑ์การสังเคราะห์รองอีกมากมายที่เป็นสารทางการแพทย์ที่มีคุณค่า (อัลคาลอยด์ ฟลาโวนอยด์ โพลีฟีนอล เทอร์พีน สเตียรอยด์ กรดอินทรีย์ ฯลฯ ) ).

การสังเคราะห์ด้วยแสงที่ไม่ใช่คลอโรฟิลล์

การสังเคราะห์ด้วยแสงที่ไม่ใช่คลอโรฟิลล์พบได้ในแบคทีเรียที่ชอบเกลือซึ่งมีเม็ดสีที่ไวต่อแสงสีม่วง เม็ดสีนี้กลายเป็นโปรตีน bacteriorhodopsin ซึ่งประกอบด้วยเช่นสีม่วงที่มองเห็นของเรตินา - โรดอปซินซึ่งเป็นอนุพันธ์ของวิตามินเอ - จอประสาทตา Bacteriorhodopsin ซึ่งสร้างไว้ในเยื่อหุ้มของแบคทีเรียที่ชอบเกลือ ก่อให้เกิดศักย์โปรตอนบนเยื่อหุ้มเซลล์นี้เพื่อตอบสนองต่อการดูดซึมแสงจากจอประสาทตา ซึ่งจะถูกแปลงเป็น ATP ดังนั้นแบคเทอริโอโฮดอปซินจึงเป็นตัวแปลงพลังงานแสงที่ปราศจากคลอโรฟิลล์

การสังเคราะห์ด้วยแสงและสภาพแวดล้อมภายนอก

การสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถทำได้เมื่อมีแสง น้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์เท่านั้น ประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่เกิน 20% ในพันธุ์พืชที่ปลูก และโดยปกติจะไม่เกิน 6-7% ในบรรยากาศมี CO 2 ประมาณ 0.03% (ปริมาตร) เมื่อเนื้อหาเพิ่มขึ้นเป็น 0.1% ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงและผลผลิตของพืชจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงแนะนำให้เลี้ยงพืชด้วยไบคาร์บอเนต อย่างไรก็ตาม ปริมาณ CO 2 ในอากาศที่สูงกว่า 1.0% มีผลเสียต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง ในหนึ่งปี พืชบกดูดซับ 3% ของ CO 2 ทั้งหมดของชั้นบรรยากาศของโลก เช่น ประมาณ 20 พันล้านตัน พลังงานแสงมากถึง 4 × 10 18 kJ ถูกสะสมในคาร์โบไฮเดรตที่สังเคราะห์จาก CO 2 ซึ่งสอดคล้องกับกำลังการผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าที่ 4 หมื่นล้านกิโลวัตต์ ผลพลอยได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งก็คือออกซิเจน มีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตชั้นสูงและจุลินทรีย์ที่ใช้ออกซิเจน การอนุรักษ์พืชพรรณหมายถึงการรักษาชีวิตบนโลก

ประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสง

ประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ด้วยแสงในแง่ของการผลิตชีวมวลสามารถประเมินได้จากสัดส่วนของการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ทั้งหมดที่ตกลงบนพื้นที่หนึ่งๆ ในช่วงเวลาหนึ่งซึ่งถูกเก็บไว้ในอินทรียวัตถุของพืชผล ผลผลิตของระบบสามารถประเมินได้จากปริมาณอินทรีย์วัตถุแห้งที่ได้รับต่อหน่วยพื้นที่ต่อปี และแสดงเป็นหน่วยมวล (กก.) หรือพลังงาน (mJ) ของการผลิตที่ได้รับต่อเฮกตาร์ต่อปี

ผลผลิตชีวมวลจึงขึ้นอยู่กับพื้นที่ของตัวรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ (ใบ) ที่ทำงานในระหว่างปีและจำนวนวันต่อปีด้วยสภาพแสงดังกล่าวเมื่อสามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้ในอัตราสูงสุดซึ่งเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของกระบวนการทั้งหมด . ผลลัพธ์ของการกำหนดสัดส่วนของรังสีดวงอาทิตย์ (เป็น %) ที่พืชสามารถใช้ได้ (รังสีที่สังเคราะห์ด้วยแสง PAR) และความรู้เกี่ยวกับกระบวนการโฟโตเคมีคอลและชีวเคมีขั้นพื้นฐาน รวมถึงประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ ทำให้สามารถคำนวณอัตราการก่อตัวของสารอินทรีย์สูงสุดที่เป็นไปได้ สารในรูปของคาร์โบไฮเดรต

พืชใช้แสงที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 400 ถึง 700 นาโนเมตร กล่าวคือ รังสีที่สังเคราะห์ด้วยแสงคิดเป็น 50% ของแสงแดดทั้งหมด ซึ่งสอดคล้องกับความเข้มบนพื้นผิวโลกที่ 800-1,000 วัตต์/ตารางเมตร สำหรับวันที่มีแสงแดดจ้าโดยทั่วไป (โดยเฉลี่ย) ประสิทธิภาพสูงสุดโดยเฉลี่ยของการแปลงพลังงานระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงในทางปฏิบัติคือ 5-6% การประมาณการเหล่านี้ได้มาจากการศึกษากระบวนการจับกับ CO 2 รวมถึงการสูญเสียทางสรีรวิทยาและกายภาพที่เกี่ยวข้อง CO 2 ที่ถูกพันธะหนึ่งโมลในรูปของคาร์โบไฮเดรตสอดคล้องกับพลังงาน 0.47 MJ และพลังงานของควอนตัมแสงสีแดงหนึ่งโมลที่มีความยาวคลื่น 680 นาโนเมตร (แสงที่มีพลังงานต่ำที่สุดที่ใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง) คือ 0.176 MJ ดังนั้น จำนวนโมลขั้นต่ำของควอนตัมแสงสีแดงที่ต้องใช้ในการจับ CO 2 1 โมลคือ 0.47:0.176 = 2.7 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอน 4 ตัวจากน้ำเพื่อตรึง CO 2 โมเลกุลหนึ่งโมเลกุลต้องใช้แสงอย่างน้อยแปดควอนตัม ประสิทธิภาพการจับยึดตามทฤษฎีคือ 2.7:8 = 33% การคำนวณเหล่านี้จัดทำขึ้นสำหรับแสงสีแดง เห็นได้ชัดเจนว่าสำหรับแสงสีขาวค่านี้จะลดลงตามไปด้วย

ภายใต้สภาพพื้นที่ที่ดีที่สุด ประสิทธิภาพการตรึงในพืชจะสูงถึง 3% แต่จะเป็นไปได้เฉพาะในช่วงเวลาสั้นๆ ของการเจริญเติบโต และหากคำนวณตลอดทั้งปี ก็จะอยู่ระหว่าง 1 ถึง 3%

ในทางปฏิบัติประสิทธิภาพเฉลี่ยต่อปีของการแปลงพลังงานสังเคราะห์แสงในเขตอบอุ่นมักจะอยู่ที่ 0.5-1.3% และสำหรับพืชกึ่งเขตร้อน - 0.5-2.5% ผลผลิตที่สามารถคาดหวังได้ในระดับความเข้มของแสงแดดที่กำหนดและประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงที่แตกต่างกันสามารถประมาณได้อย่างง่ายดายจากกราฟที่แสดงในรูปที่ 1 9.

ความหมายของการสังเคราะห์ด้วยแสง

• กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นพื้นฐานของสารอาหารสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด และยังให้เชื้อเพลิง เส้นใย และสารประกอบทางเคมีที่มีประโยชน์นับไม่ถ้วนแก่มนุษยชาติอีกด้วย
• ประมาณ 90-95% ของน้ำหนักแห้งของพืชผลเกิดจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำที่รวมกันจากอากาศในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง
• มนุษย์ใช้ผลิตภัณฑ์สังเคราะห์แสงประมาณ 7% เป็นอาหาร อาหารสัตว์ เชื้อเพลิง และวัสดุก่อสร้าง

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในพืช (ส่วนใหญ่อยู่ที่ใบ) ท่ามกลางแสง นี่เป็นกระบวนการที่สารอินทรีย์กลูโคส (น้ำตาลชนิดหนึ่ง) เกิดขึ้นจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ต่อไปกลูโคสในเซลล์จะถูกแปลงเป็นแป้งซึ่งเป็นสารที่ซับซ้อนมากขึ้น ทั้งกลูโคสและแป้งเป็นคาร์โบไฮเดรต

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่เพียงแต่สร้างอินทรียวัตถุเท่านั้น แต่ยังผลิตออกซิเจนเป็นผลพลอยได้อีกด้วย

คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเป็นสารอนินทรีย์ ในขณะที่กลูโคสและแป้งเป็นสารอินทรีย์ ดังนั้นจึงมักกล่าวกันว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการสร้างสารอินทรีย์จากสารอนินทรีย์ในแสง มีเพียงพืช ยูคาริโอตเซลล์เดียวบางชนิด และแบคทีเรียบางชนิดเท่านั้นที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ ไม่มีกระบวนการดังกล่าวในเซลล์ของสัตว์และเชื้อราดังนั้นจึงถูกบังคับให้ดูดซับสารอินทรีย์จากสิ่งแวดล้อม ในเรื่องนี้พืชเรียกว่าออโตโทรฟ ส่วนสัตว์และเชื้อราเรียกว่าเฮเทอโรโทรฟ

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืชเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ซึ่งมีคลอโรฟิลล์เม็ดสีเขียว

ดังนั้น เพื่อให้การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้น คุณต้องมี:

คลอโรฟิลล์,

คาร์บอนไดออกไซด์.

ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเกิดสิ่งต่อไปนี้:

อินทรียฺวัตถุ,

ออกซิเจน

พืชถูกปรับให้รับแสงในไม้ล้มลุกหลายชนิด ใบไม้จะถูกรวบรวมไว้ในรูปแบบที่เรียกว่า basal rosette เมื่อใบไม่บังซึ่งกันและกัน ต้นไม้มีลักษณะเป็นโมเสกใบไม้ซึ่งใบไม้จะเติบโตในลักษณะที่ให้ร่มเงาซึ่งกันและกันให้น้อยที่สุด ในพืช ใบสามารถหันไปทางแสงเนื่องจากการงอของก้านใบ ด้วยเหตุนี้จึงมีพืชที่ชอบร่มเงาซึ่งสามารถเติบโตได้ในที่ร่มเท่านั้น

น้ำสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเข้าสู่ใบจากรากตามลำต้นดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่พืชจะได้รับความชื้นเพียงพอ หากขาดน้ำและแร่ธาตุบางชนิด กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงจะถูกยับยั้ง

คาร์บอนไดออกไซด์สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงจะถูกดึงโดยตรงจากอากาศโดยใช้ใบไม้ในทางกลับกัน ออกซิเจนซึ่งผลิตโดยพืชในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจะถูกปล่อยออกสู่อากาศ การแลกเปลี่ยนก๊าซอำนวยความสะดวกโดยช่องว่างระหว่างเซลล์ (ช่องว่างระหว่างเซลล์)

สารอินทรีย์ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงบางส่วนใช้ในใบ แต่ส่วนใหญ่จะไหลเข้าสู่อวัยวะอื่นๆ ทั้งหมด และถูกแปลงเป็นสารอินทรีย์อื่นๆ ใช้ในการเผาผลาญพลังงาน และแปลงเป็นสารอาหารสำรอง