درس امروز: آزمون زیست

1 ـ کدام گزینه نادرست است؟

1)‌ به دلیل دافعه بارهای منفی فسفات‌ها، پیوند بین گروه‌های فسفات ATP سست می‌باشد.

2)‌ تنها فتوسنتزکننده‌ها می‌توانند از انرژی نور خورشید به طور مستقیم برای انجام فرآیندهای سلولی استفاده کنند.

3)‌ نشاسته با چند واکنش آنزیمی به گلوکز تبدیل می‌شود و مقداری انرژی آزاد می‌شود.

4)‌ واکنش تبدیل ATP به AMP یک واکنش برگشت‌ناپذیر انرژی‌زاست.

کسب انرژی در جانداران گوناگون با مکانیسم‌های مختلفی انجام می‌گیرد، اما منشأ اصلی تمام این انرژی، انرژی نور خورشید است.

انرژی نور خورشید توسط جانداران فتوسنتزکننده جذب شده، به شکل شیمیایی تبدیل می‌شود. حال این انرژی شیمیایی در قالب ترکیبات آلی در سلول ذخیره می‌شود.

توجه کنید که هیچ جانداری به طور مستقیم توانایی استفاده از انرژی نور خورشید را برای انجام واکنش‌های درون‌سلولی خود ندارد، بلکه خود فتوسنتزکننده‌ها نیز ابتدا انرژی نوری را به شیمیایی تبدیل و سپس از آن استفاده می‌کنند.

جانداران غیرفتوسنتزکننده (مانند گیاهخواران) نیز یا به طور مستقیم از انرژی ذخیره شده در گیاهان (یا سایر فتوسنتزکننده‌ها)‌ استفاده می‌کنند یا مانند گوشتخواران از انرژی ذخیره‌شده در سایر جانوران استفاده می‌کنند که به طور غیرمستقیم همان انرژی ذخیره‌شده در گیاهان بوده است.

پس از تبدیل انرژی نوری به شیمیایی، رایج‌ترین مولکول‌های انتقال‌دهنده و ذخیره‌کننده موقت انرژی در سلول، ATP (آدنوزین تری‌فسفات)‌ می‌باشد. این مولکول از 3 گروه فسفات، یک قند 5 کربنه ریبوز و یک باز آلی آدنین تشکیل شده است.

گروه‌های فسفات موجود در ساختار ATP همگی دارای بار الکتریکی منفی بوده، نتیجتا دافعه بین آنها سبب ضعیف بودن (پایداری کم یا سطح انرژی بالا)‌ پیوندهای بین آنها می‌شود. بر همین اساس آنها را پیوندهای پرانرژی می‌خوانند.

پرانرژی‌بودن پیوندها به این معناست که سطح انرژی پیوند بالا بوده و ما برای شکستن آن به صرف انرژی اندکی نیاز داریم.

در سلول همواره به دنبال تجزیه ATP و جداشدن یک یا 2 گروه فسفات از آن، ADP یا AMP به همراه مقداری انرژی ایجاد می‌شود. واکنش مربوط به تجزیه ATP درون سلول مطابق زیر است:

این واکنش به یکی از 2 شکل بالا دیده می‌شود. واکنش (1)‌ برگشت‌پذیر است، اما در واکنش (2)‌ نیروی دافعه شدید بین گروه‌های فسفات متصل به هم پس از جدا شدن از AMP باعث تبدیل آنها به 2 گروه فسفات جدا از هم می‌شود. نتیجتا واکنش (2)‌ برگشت‌ناپذیر است.

فتوسنتز فرآیندی انرژی‌‌خواه است که طی آن انرژی نورانی خورشید به شکل شیمیایی در ترکیبات آلی ذخیره می‌شود.

تنفس سلولی فرآیندی انرژی‌زاست که طی آن انرژی شیمیایی ذخیره شده در ترکیبات آلی آزاد می‌شود.

فتوسنتز مقدمه‌ای برای تشکیل پلیمرها از مونومرهاست. زیرا از ترکیبات حاصل از فتوسنتز در ساخت ترکیبات پیچیده‌تر و پلیمرها استفاده می‌شود. همچنین تنفس سلولی به دنبال فرآیندهای مربوط به تجزیه پلیمرها انجام می‌گیرد.

مطالب آمده در بالا را می‌توان به طور خلاصه اینچنین بیان کرد:

در نمودار بالا، تبدیل گلوکز به قندهای پیچیده مثل نشاسته، نمونه‌ای از واکنش سنتز پلیمرهاست که با سنتز آب‌دهی انجام می‌شود. در این واکنش‌ها به ازای اتصال هر دو مولکول مونومر به یکدیگر، یک مولکول آب آزاد می‌شود. این واکنش همواره انرژی‌خواه است.

همچنین تبدیل قندهای پیچیده مثل نشاسته به مالتوز و در پی آن به گلوکز نمونه‌ای از واکنش‌های هیدرولیز پلیمرهاست که به ازای شکستن هر پیوند بین 2 مونومر، یک مولکول آب مصرف می‌شود.

حتما به یاد دارید که در بدن ما تبدیل نشاسته به مالتوز در دهان و تحت اثر آنزیم پتیالین بزاق انجام گرفته و تبدیل مالتوز به گلوگز در اثر آنزیم‌های لوزالمعده در روده باریک انجام می‌گیرد. تبدیل گلوکز به CO2 و آب با مصرف O2 که منجر به آزادشدن انرژی در قالب مولکول ATP می‌شود نیز همان تنفس سلولی است که درون سلول‌های بدن ما انجام می‌گیرد.

تمرین (1)‌ ATP دارای قند........ و ....... پیوند پرانرژی می‌باشد.

1)‌ ریبوز ـ 3 2)‌ ریبوز ـ 2

3)‌ دئوکسی ریبوز ـ 3 4)‌‌ دئوکسی ریبوز ـ 2

مطابق ساختار ATP که در جعبه آموزش (1)‌ آمده، این مولکول شامل یک قند ریبوز، 3 گروه فسفات و یک باز آلی آدنین است. همچنین 2 پیوند موجود بین 3 گروه فسفات را پیوندهای پرانرژی می‌نامند.

2. m در مرحله دوم فتوسنتز انرژی به طور موقت در ........... ذخیره می‌شود.

1)‌ پروتئین‌ها 2)‌ کربوهیدرات‌ها

3)‌ نوکلئوتیدها 4)‌ لیپیدها

واکنش انرژی‌خواه فتوسنتز دارای 3 مرحله اساسی است.

در مرحله اول: نور خورشید توسط رنگیزه‌های موجود در فتوسیستم‌ها، در غشای تیلاکوئیدها به دام می‌افتد. این انرژی به دام افتاده موجب برانگیخته شدن الکترون‌ها از مولکول کلروفیل a در فتوسیستم‌های I و II می‌شود.

توجه کنید برای جذب نور در طیف وسیعی از طول موج‌ها،‌ در هر فتوسیستم رنگیزه‌های گوناگونی وجود دارد. مثلا کلروفیل a بیشتر نور را در طول موج‌های آبی و قرمز، کلروفیل b در طول موج مربوط به نور بنفش و کاروتنوئیدها در طول موج مربوط به نورهای سبز و آبی جذب می‌کند.

در مرحله دوم: انرژی نوری به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود و به‌طور موقت در مولکول‌های ناقل انرژی ATP و NADPH ذخیره می‌شود.

در این مرحله الکترون‌های پرانرژی جدا شده از فتوسیستم I پس از عبور از زنجیره انتقال الکترون به مولکول ⁺NADP رسیده، آن را احیا کرده، به NADPH تبدیل می‌کند.

همچنین یکی از پروتئین‌های زنجیره انتقال الکترون بین فتوسیستم I و II با استفاده از انرژی الکترون جدا شده از فتوسیستم II، یون‌های⁺H را از بستره به درون تیلاکوئید پمپ می‌کند. عملکرد آنزیم تجزیه‌کننده آب نیز که در اتصال با فتوسیستم II قرار دارد، باعث افزایش غلظت یون ⁺H درون تیلاکوئید و تمایل این یون‌ها برای خروج از تیلاکوئید می‌شود. یون‌های ⁺H از طریق کانال غشایی ⁺H که دارای فعالیت آنزیمی ATP  سازی نیز هست، به خارج از تیلاکوئید انتشار می‌یابد (انتشار تسهیل شده)‌. این پروتئین با استفاده از انرژی حاصل از انتشار یون ⁺H واکنش ADP + Pi ATP را پیش می‌برد.

مولکول‌های ناقل انرژی تولید شده (ATP و NADP)‌ هر دو نوعی نوکلئوتید هستند (NADPH دی‌نوکلئوتید و ATP مونو نوکلئوتید است)‌

در مرحله سوم: انرژی شیمیایی ذخیره شده در ATP و NADPH تولید ترکیبات آلی از CO2 را ممکن می‌سازد.

در این مرحله CO2 تثبیت می‌شود. یعنی از کربن آن در تولید ترکیبات آلی استفاده می‌شود.

واکنش‌های این مرحله در قالب چرخه کالوین انجام گرفته و تماما درون بستره انجام می‌شود.

در چرخه کالوین ATP و NADPH تولید شده در مرحله دوم فتوسنتز مصرف می‌شود.

خلاصه واکنش‌های چرخه کالوین مطابق شکل زیر است. چرخه کالوین در 4 گام انجام می‌گیرد.

تمرین: کدام یک از ترکیبات زیر در فتوسنتز هم مصرف و هم تولید می‌شود؟

1)‌ CO2 2)‌ ‍C6H12O6

3)‌ H2O 4)‌ O2

6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

همان‌طور که مشاهده می‌کنید در این واکنش آب هم مصرف و هم تولید می‌شود. CO2 فقط مصرف شده و C6H12O6 و O2 تنها تولید می‌شوند.

مصرف H2O درون تیلاکوئید و در مجاورت فتوسنتز II (توسط آنزیم تجزیه‌کننده آب)‌ انجام می‌گیرد. همچنین H2O از محصولات جانبی چرخه کالوین است. (که البته این موضوع خارج از کتاب ماست.) بهترین دلیل برای توجیه تولید آب در واکنش‌های فتوسنتزی همان واکنش کلی فتوسنتز است که در بالا آورده شد.

3 ـ اولین رنگیزه موثر در فتوسنتز نورهای ............... را منعکس می‌کند.

1)‌ آبی و قرمز    2)‌ سبز و زرد    3)‌ زرد و نارنجی    4)‌ آبی و سبز

در اولین مرحله از مراحل سه‌گانه فتوسنتز (جذب انرژی نوری)‌ انرژی نور خورشید توسط رنگیزه‌ها به دام می‌افتد. اولین رنگیزه موثر در فتوسنتز، کلروفیل است.

البته در هر فتوسیستم به منظور ایجاد بیشترین جذب نور در طیف وسیعی از طول موج‌ها، انواع مختلفی از رنگیزه‌ها وجود دارد. کلروفیل‌ها بیشتر جذب نور را در طول موج مربوط به نور آبی، قرمز و بنفش دارند و نور سبز و زرد را بازتاب می‌کنند. به همین دلیل است که رنگ گیاهان، سبز یا سبز مایل به زرد دیده می‌شود.

همچنین کاروتنوئیدها نیز از دیگر رنگیزه‌هایی هستند که در فتوسنتز نقش اساسی دارد. این رنگیزه‌ها عامل ایجاد رنگ برگ‌های پاییزی، میوه‌ها و گل‌ها هستند. کاروتنوئیدها نورهای زرد و نارنجی را منعکس و سبز و آبی را جذب می‌کنند.

کلروفیل‌ها در نوع a و b وجود دارند. کلروفیل a بیشتر جذب را در طول موج‌های مربوط به نور قرمز و بنفش و کلروفیل b در نور آبی دارد.

به طور کلی 2 نوع کلروفیل a می‌تواند به عنوان مرکز واکنش در هر فتوسیستم مطرح باشد. نوع P680 که بیشترین جذب را در طول موج 680nm دارد و نوع P700 که بیشترین جذب را در طول موج 700nm دارد. فتوسیستمی که دارای کلروفیل a نوع P680 است فتوسیستم II و فتوسیستمی که دارای کلروفیل a نوع P700 است فتوسیستم I نامیده می‌شود.

در هر فتوسیستم، تمامی رنگیزه‌ها انرژی نوری را جذب می‌کنند. این انرژی در کلروفیل a مرکز واکنش که می‌تواند P680 یا P700 باشد متمرکز می‌شود. تمرکز انرژی نوری در این کلروفیل‌ها باعث برانگیخته و جدا شدن الکترون از مولکول کلروفیل a می‌شود. الکترون‌های جدا شده از P680 و P700 وارد زنجیره‌های انتقال الکترون می‌شوند. الکترون خارج شده از P700 به مولکول ⁺NADP رسیده، آن را احیا و به NADPH تبدیل می‌‌کند. در حالی که از انرژی الکترون برانگیخته (پرانرژی)‌ جداشده از P680 برای پمپ کردن یون‌های ⁺H از بستره به درون تیلاکوئید استفاده می‌شود.

کمبود الکترون فتوسیستم I توسط الکترون جدا شده از فتوسیستم II و کمبود الکترون فتوسیستم II توسط الکترون‌های حاصل از تجزیه آب در آنزیم تجزیه‌کننده آب که متصل به فتوسیستم II‌(در فضای درون تیلاکوئید)‌ است، جبران می‌شود.

یادآوری: در همین مرحله به دنبال تجزیه آب، یون‌های ⁺H و مولکول O2 نیز تولید می‌شوند.

سبز و زرد (گزینه (2)‌) توسط کلروفیل‌ها بازتاب می‌شوند.

زرد و نارنجی (گزینه (3)‌) توسط کاروتنوئیدها بازتاب می‌شوند.

آبی و سبز (گزینه (4)‌) توسط کاروتنوئیدها جذب می‌شوند.

تمرین: کلروفیل a موجود در فتوسیستم II، الکترون از دست‌رفته را به‌طور مستقیم از کدام‌یک دریافت می‌کند؟

1)‌ فتوسیستم I 2)‌ زنجیره‌های انتقال الکترون

3)‌ اتم‌های هیدروژن 4)‌ اتم‌های اکسیژن

کمبود الکترون کلروفیل a در فتوسیستم II توسط الکترون‌های حاصل از تجزیه آب می‌شود. طی این فرآیند، اتم‌های هیدروژن جدا شده از مولکول‌ آب، الکترون‌های خود را از دست داده به ⁺H تبدیل می‌شوند و الکترون خود را به کلروفیل a منتقل می‌کنند.