فتوسنتز ( واکنشهای کربنی ) Photosynthesis    

فتوسنتز پدیده ای است که طی آن یک سری از مواد با سطح انرژی پایین مانند آب و دی اکسید کربن تحت تاثیر نور و به کمک کلروفیل تبدیل به یک سری از مواد با سطح انرژی بالایی می شوند.

گیاهان آب و مواد معدنی را توسط ریشه جذب کرده و توسط آوندهای چوبی به سمت برگ هدایت می کنند و در آنجا با حضور کلروفیل و نور جذب شده از سطح برگ و   وارده شده از طریق روزنه های برگ فرایند ساخت شیره پرورده ( قند ) را انجام می دهند که به مجموعه این چرخه فتوسنتز می گویند.

گیاهان براساس عملکرد چرخه فتوسنتزشان به سه دسته تقسیم می شوند

·         گیاهان ( C3 ) یا سه کربنه

·         گیاهان ( C4 ) یا چهار کربنه

·         گیاهان ( CAM ) یا متابولیسم اسید کراسیله

گیاهان سه کربنه حدود 85 درصد از کل گیاهان روی سطح زمین را تشکیل می دهند و به دلیل اینکه اولین قند تشکیل شده در چرخه فتوسنتز آنها دارای سه کربن است به این نام معروفند بیشترین مصرف آب را در بین گروه های یاد شده دارند و درجه حرارت مطلوب آنها 20 تا 25 درجه سانتی گراد می باشد

گیاهان چهار کربنه حدود 10 درصد از کل گیاهان روی سطح زمین را تشکیل می دهند و چون اولین قند تشکیل شده در چرخه فتوسنتز آنها دارای چهار کربن است به این نام معروفند این گیاهان دارای بیشترین بازده عملکرد فتوسنتز در بین گروه های یاد شده می باشند درجه حرارت مناسب برای آنها حدود 30 تا 35 درجه سانتی گراد است

گیاهان کام 5 درصد باقیمانده کل گیاهان را به خود اختصاص می دهند مشخصه آنها بسته بودن روزنه در روز و تثبیت دی اکسید کربن در شب می باشد

کلروپلاست

یکی از مهمترین اندامکهای سلول گیاهی در فرایند فتوسنتز می باشد که محل تجمع رنگدانه هاست رنگدانه های از قبیل کاروتن , گزانتوفیل , کلروفیل و ... اما رنگدانه های کارتنوئید , کلروفیل B و کلروفیل A که همیشه در مقابل خورشید بصورت قیف منظم می شوند و دلیل آن است که امواج اشعه خورشید دارای انرژی زیادی هستند و در صورت برخورد مستقیم این اشعه ها به کلروفیل A باعث تخریب آن می شوند پس در ابتدا اشعه به کارتنوئید برخورد کرده و مقداری از انرژی خود را از دست می دهد سپس به کلروفیل B برخورد می کند و بخشی دیگر از انرژی خود را از دست می دهد و نهایتا به کلروفیل A می رسد و توسط آن جذب می شود بطورکلی کلروپلاست محل انجام فتوسیستم های نوری است

فتوسیستم نوری در گیاهان C3

در چرخه گیاهان سه کربنه ابتدا گیاه انرژی نورانی خورشید را جذب کرده و سپس آنرا تبدیل به ATP و NADPH می کند این فرایند در محل گرانوم های کلروپلاست انجام می گیرد فتوسیستم در این گیاهان شامل فتوسیستم I و فتوسیستم II می باشد.

چرخه کالوین ( چرخه احیاء پنتوز فسفات PPR )

این چرخه بطور ترتیب شامل سه مرحله کربن دهی , احیاء و بازسازی است

·         در مرحله اول ابتدا ترکیبی بنام ریبولوز 1و5 بی فسفات ( پنج کربنه ) تحت تاثیر آنزیم Rubisco  ( آنزیم ریبولوز بی فسفات کربوکسیلاز / اکسیژناز ) با  ترکیب شده و دو قند سه کربنه بنام 3 فسفو گلیسرات را تشکیل می دهد ( Carboxylation )

·     در مرحله دوم 3 فسفو گلیسرات با مصرف انرژی ( ATP ) و ( NADPH ) ترکیبی بنام 3 فسفو گلیسرآلدئید را تشکیل می دهد ترکیب حاصله سپس به تریوز فسفات تبدیل شده و در نهایت قند و نشاسته را تولید می کند ( Reduction )

·         در مرحله سوم اگر ترکیب 3 فسفو گلیسرآلدئید به تریوز فسفات تبدیل نشد وارد مرحله بازسازی شده و با مصرف انرژی مجددا تبدیل به ترکیب اولیه ریبولوز 1و5 بی فسفات می شود ( Regenertion )

لازم به ذکر است در مرحله اول چرخه کالوین آنزیم Rubisco قابلیت واکنش با اکسیژن را هم داشته و در صورتی که تراکم  در محیط نامناسب باشد آنزیم نامبرده با اکسیژن وارد واکنش شده و فرایند به سمت تنفس نوری و تعدیل فرایند چرخه کالوین پیش می رود این آنزیم بیش از 40 درصد پروتئین های محلول برگ را تشکیل می دهد

فرمول شیمیایی فرایند چرخه کالوین به شرح ذیل می باشد

چرخه تنفس نوری

مهمترین اندامکهای سلول گیاهی که در این چرخه نقش دارند علاوه بر کلروپلاست , پراکسی زوم و میتوکندری می باشند این فرایند با اکسیده شدن کربن شماره 2 ترکیب اولیه چرخه کالوین یعنی ریبولوز 1و5 بی فسفات شروع می شود و ترکیبی بنام 2 فسفوگلیسرات را تشکیل می دهد سپس ترکیب حاصله با مولکول آب ترکیب شده و با آزاد کردن گروه فسفات به ترکیب جدیدی بنام گلیکولیت تبدیل می شود این ترکیب به اندامک پراکسی زوم منتقل شده سپس در آنجا اکسیده شده و با آزاد کردن مولکول آب تبدیل به ترکیب دیگری بنام گلیسین می شود که دارای گروه آمین می باشد ترکیب حاصله وارد چرخه میتوکندری شده در آنجا با آزاد شدن انرژی حاصله از تجزیه مولکول آب , دی اکسید کربن و NADH تشکیل می شود و گلیسین هم تبدیل به سرین می گردد لازم به ذکر است در این اندامک یون آمونیوم وجود داشته که بعدها در ساختن آمینو اسیدها ( گلوتامات ) موجود در کلروپلاست نقش تاثیر گذاری دارند سپس سرین مجددا به پراکسی زوم نقل مکان کرده و در آنجا با مصرف انرژی گلیسرات را تشکیل می دهد گلیسرات تشکیل شده به کلروپلاست رفته و با یک گروه فسفات حاصل از تجزیه ATP ترکیب و تبدیل به 3 فسفوگلیسرات شده که این ترکیب سه کربنه وارد چرخه کالوین می شود.

احتمال می رود فرایند تنفس نوری در تنش های رطوبتی / حرارتی باعث بسته شدن روزنه ها و افزایش مقاومت گیاه در برابر شرایط محیطی می گردد.