تحقیق مقاله مقایسه گیاهان سه کربنه و چهار کربنه

متابولیسم کربن در فتوسنتز

واکنش های فتوسنتزی در دو مرحله انجام می گیرند . در مرحله اول یا مرحله واکنش های نوری ، انرژی نورانی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود و ATP و NADPH  به وجود می آید . این دو ماده برای انجام واکنشهای مرحله دوم فتوستز یا واکنش های تاریکی لازم اند . در نور ، گیاه سبز دی اکسید کربن جو را جذب و در سیستم فتوسنتزی تثبیت دی اکسید کربن ابتدا منجر به تشکیل نخستین فرآورده(های)پایدار فتوسنتزی می شود و سپس بتدریج سایر فراورده ها به وجود می آیند . واکنشها ی احیای دی اکسید کربن و تبدیل آن به کربوهیدارتها در گیاهان سبز فتوسنتز کننده به صورت چرخه ای و به چرخه متابولیسم کربن موسوم است این چرخه به طور کلی ویژگیهایی دارد که عمدتا عبارت اند از : (1) انجام فرایند کربوکسیله شدن و تشکیل نخستین فراورده نسبتا پایدار فتوسنتزی ،(2) فعال بودن آنزیم کربوکسیلاز ،(3) وجود ماده پذیرنده دی اکسید کربن ،(4) بازسازی ماده پذیرنده دی اکسید کربن و بالاخره ،(5) خروج بخشی از کربن تثبیت شده از چرخه و تشکیل فراورده های ذخیره ای فتوسنتز .چرخه متابولیسم کربن در فتوسنتز در همه گیاهان یکسان نیست . به طور عمده امروزه سه نوع چرخه متابولیسمی برای متالیسم کربن در فتوسنتز شناخته شده است:

- اولین چرخه به چرخه کالوین (یا چرخه فتوسنتزی احیای کربن یا چرخه احیای پنتوز فسفات در فتوسنتز و یا چرخه متابولیسم کربن در گیاهان C3 موسوم است . یا به اختصار RUDP است . نخستین فرآورده نسبتا پایدار فتوسنتزی در این چرخه اسید آلی سه کربنC3  بنام اسید 3 – فسفو گلیسریک است . آنزیم مسئول اضافه شدن  Co2و RUDP یا انجام کربو کسیلا سیون در گیاه ، ریبولوزدی فسفات ، کربوکسیلاز نام دارد .

- چرخه دوم به چرخه اسید دی کربو کسیلی  C4یا چرخه متابولیسم کربن در گیاهان C4 و یا به اختصار به چرخه C4 موسوم است . پذیرند ه دی اکسید کربن در این چرخه یک اسید سه کربنی  آلی به نام اسید فسفوانول پیرووی یا به اختصار PEP است . که در نتیجه کربو کسیله شدن آن با دی اکسید کربن ، نخستین فراورده فتوسنتزی به صورت یک اسید آلی چهار کربنی به نام اسید اگزالواسیک به وجود می آید . آنزیم کربو کسیلاز مربوطه فسفوانول پیروویک کربو کسیلاز یا به اختصار PEP – کربو کسیلاز است . در فتوسنتز گیاهان C4 چرخه متابولیسمی کربن پس از طی مراحلی به چرخه کالوین منتهی می شود . در واقع در گیاهان C4 مقدم بر چرخه کالوین ، چرخه دیگری یافت می شود که هر دو تواما به چرخه C4 موسوم اند .

- چرخه سوم متابولیسم کربن قتوسنتزی متابولیسم اسیدی کراسو لا سه ای یا متابو لیسم نوع کراسو لاسه ای است . گیاهان دارای این چرخه در نواحی خشک و کویری می رویند . روزنه های برگ در این گیاهان در روز بسته است و در شب باز می شوند . گیاه در طول شب دی اکسید کربن مورد نیاز دستگاه فتوسنتزی را جذب می کند . ماده پذیرنده دی اکسید کربن اسید فسفوایول پیروویک (PEP ) است که پس از کربو کسیله شدن به صورت ماده ای چهار کربنی به نام اسید مالیک ظاهر می شود . آنزیم مسئول کربوکسیله شدن PEP کربو کسیلاز است . در روز اسید مالیک به اسید پیروویک و دی اکسید کربن تبدیل می شود و دی اکسید کربن حاصله به چرخه ای مشابه چرخه کالوین وارد می شود و فراورده های فتوسنتزی را به وجود می آورد .

(تصاویر در فایل اصلی موحود است)
 

چرخه کالوین یا چرخه احیای پنتوز فسفات در گیاهان C3

در جریان انجام عمل فتوسنتر ، دی اکسید کربن جذب شده توسط برگهای سبز با کمک عواملی نظیر ATP و NADPH (که در جریان واکنشهای فتو شیمیایی فتوسنتز تامین می شود ) احیا و به کربوهیدراتها و انواع دیگر فراورده های فتوسنتزی تبدیل می کنند . کشف کربن رادیواکتیو (C 14 ) به مثابه ردیابی مناسب جهت تعقیب فرایندهای مربوط به متابولیسم کربن ، عامل عمدهای در ارتقای دانش بشر درباره فرایند های زیست شیمیایی فتوسنتز گیاهان به شمار می رود . می دانیم که با استفاده از ایزوتوپ رادیواکتیو عنصری مشخص مسیر متابولیسمی آن را می توان رد یابی کرد . معیار رد یابی ایزو توپ رد یاب تشعشات رادیو اکتیوی است که از آن صادر می شود . بنابراین با اندازه گیری رادیواکتیویته فراورده های موجود در یک چرخه متابولیسم ، نه تنها رد یابی مسیر متابولیسمی عنصری مشخص میسر است بلکه با اندازه گیری غلظت رادیو اکتیویته موجود در فراورده های متابولیسمی می توان سمت انها را با یکدیگر مقایسه کرد . کربن رادیو اکتیو (C 14 ) به مثابه رد یابی جهت تعقیب مسیر متابولیسمی کربن در فتوسنتز در اوایل دهه 1940 توسط گروهی از گیاه شناسان به سرپرستی کالوین و بنسون در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی به کار گرفته شد . مراحل عملی استفاده از کربن رادیواکتیو (C 14) برای بررسی متابولیسم کربن در فتوسنتز را میتوان به شرح زیر خلاصه کرد :

 ابتدا گیاهان مورد نظر (گیاهان سبز ابتدایی نظیر جلبکهای سبز یا گیاهان سبز عالی ) در شرایط مناسبی از مواد غذایی ، حرارت و نور رویانده می شوند . گیاهان در این شرایط به رشد خود ادامه می دهند و از دی اکسید کربن جو که دارای کربن معمولی(C 12 ) است تغذیه می کنند .

کربن جذب شده توسط گیاهان وارد چرخه متابولیسمی فتوسنتز می شود و بتدریج فراورده های فتوسنتزی گوناگونی به وجود می آورد . متابولیسم فتوسنتز در چنین شرایطی و بتدریج سیر طبیعی خود را طی می کند که اصطلاحا آن را فتوسنتز در حالت آرام می نامند .سپس در زمان معینی دی اکسید کربن با کربن رادیواکتیو (C 14 ) در اختیار گیاه قرار می گیرد. به گیاهان امکان داده می شود تا همچنان در حرارت و نور مناسب به عمل کربن گیری فتوسنتزی ادامه دهند . از لحظه جذب  14Co2  در زمانهای متفاوت ( 5 ثانیه ، 10 ثانیه ، 20 ثانیه ، 40 ثانیه ، یک دقیقه و غیره ) نمونه هایی از گیاه سبز در حال انجام فتوسنتز را برداشت و بلافاصله آن را در اتانول جوشان وارد می کنند و آن را می کشند . در نتیجه واکنشهای آنزیمی متوقف و نیز ترکیبات محلول در الکل موجود در نمونه گیاهی از برگ استخراج می شوند . سپس با بررسی شیمیایی این عصاره الکلی فراورده های فتوسنتزی محتوی C 14 را تعیین می کنند . به این ترتیب می توان مسیر کربن را در متابولیسم فتوسنتزی ترسیم و ترتیب فراورده های فتو سنتزی و جای هر کدام را در چرخه متابولیسم کربن فتوسنتزی مشخص کرد . با این روش می توان دریافت که نخستین فراورده ( های) تشکیل شده در فتوسنتز کدام است و در چرخه کربن فتوسنتزی از چه راهی سایر فراورده های فتوسنتزی را به وجود می آورد . گروه برکلی در آزمایشهای اولیه خود روشهای تجزیه شیمیایی نظیر استخراج ، تهیه رسوب ، تولید کریستال و غیره مناسب در مطالعه مولکولهای آلی را برای کار خود برگزیده بودند ولی تجربه نشان داد که اینها روشهایی مشکل اند و برای استخراج مواد با مقدار خیلی کم در گیاه مناسب نیستند . تجربه نشان داد که در آزمایشهای مورد استفاده در این روشها مقدار مواد مورد بررسی باید حدود میلی گرم باشد . همزمان با کاربرد Co2 برای رد یابی مسیر کربن در متابولیسم فتوسنتزی از روش تجزیه ای جدیدی نیز استفاده شد . این روش کروماتوگرافی کاغذی است . البته باید اشاره کرد که برای جدا کردن رنگیزه های گیاهی در اواخر قرن نوزدهم استفاده از کروماتوگرافی ستونی متداول بود ولی کاربرد کاغذ صافی در کروماتوگرافی تا اواسط دهه 1940 معمول نبود . کالوین ، بنسون و همکارانشان برای جدا کردن ، استخراج و تشخیص مولکولهای آلی که در جریان تثبیت دی اکسید کربن فتوسنتز در گیاه به وجود می آیند از روشهای فوق استفاده کردند . بررسیهای مورد نظر بر روی دو نوع جلبک یکی کلورلا و دیگری سنه دسموس انجام گرفت . آزمایشهای مشابهی که بر روی برگهای سبز جدا شده از گیاهان عالی انجام پذیرفت ، نتایج آزمایشهای کالوین و بنسون را تایید کردند . بررسیهای انجام شده نشان داد که با قرار گرفتن گیاه به مدت  چند دقیقه در معرض Co2  14 تعدادی از مولکولهای آلی رادیواکتیو می شوند . هر قدر گیاه مدت زمان کمتری در معرض  14Co2  قرار گیرد تنوع مولکولهای آلی رادیو اکتیو نیز کمتر است . اگر یاه تنها دو ثانیه در معرض Co2  14 قرار گیرد قسمت اعظم کربن رادیواکتیو فقط در یک مولکول آلی ، یعنی اسید 3 – فسفوگلیسریک (PGA ) ، ظاهر می شود . این ترکیب نخستین فراورده پایدار تثبیت کربن فتوسنتزی در چرخه کالوین به شمار می رود .

نخستین فراورده پایدار تثبیت Co2  فتوسنتزی در چرخه کالوین

استفاده از روش کروماتوگرافی کاغذی و تهیه فیلم از کروماتوگرام امکان تعقیب مسیر متابولیسمی کربن تثبیت شده در فتوسنتز را فذاهم کرد و منجر به شناسایی فراورده های فتوسنتزی شد و با این روش و در نظر گرفتن عامل زمان در جریان عمل کربن گیری فتوسنتزی ، ترتیب فراورده های فتوسنتزی نسبت به یکدیگر مشخص و بالاخره این امکان فراهم شد که همراه با پژوهشهای بعدی ، چرخه کتابولیسم کربن فتوسنتزی ترسیم و نقش ترکیبات پیشاهنگ ، ترکیبات پذیرنده و ترکیبات حد واسط و نهایی در کل چرخه متابولیسم کربن فتوسنتزی تعیین شود . به طور خلاصه می توان گفت که با استفاده از روش کروماتوگرافی مکانیسم احیای دی اکسید کربن تثبیت شده در فتوسنتز را می توان بررسی و شناسایی کرد . پس از آنکه گیاه سبز 2 تا 5 ثانیه در معرض Co214 و نور کافی قرار گرفت قسمت اعظم C 14 ( حدود 90% آن در اسید فسفوگلیسریک (PGA ) ظاهر می شود . اسید فسفوگلیسریک یک مولکول اسید آلی سه کربنی با فرمول شیمیایی زیر است :

CH2O  P  .CHOH.*COOH

  P   مخفف فسفات معدنی به فرمول – H2PO3 است که از اسید فسفریک به فرمول H2PO3(OH) و یا P(OH)  و یا H3PO4 به وجود می آید .   P   را گاهی با Pi نیز نشان می دهند . وجه تسمیه گلیسریک به اسید فوق آن است که این اسید آلی سه کربنی از نظر شیمیایی از گلیسرول مشتق می شود که یک الکل سه کربنی است :

CH2OH.CHOH.CH2OH

پژوهشهای بعدی نشان داد که رادیواکتیویته CO2 14 پس از این مدت (2 تا 5 ثانیه) ، تنها در کربن کربوکسیل (-COOH ) مولکول اسید 3- فسفوگلیسریک ظاهر می شود و دو کربن دیگر رادیواکتیو نمی شوند . در فرمول PGA که بدان اشاره شد قابلیت رادیواکتیویته با علامت شتاره (*) نشان داده شده است .

ریبولوز- 5،1  – دی فسفات به مثابه پذیرند ه اولیه Co2 در فتوسنتز

از همان نخستین پژوهشهای اولیه توجه داشتند که دی اکسید کربن جذب شده در جریان عمل فتوسنتز مستقما و بدون واسطه قابل احیا نیست و نمی تواند به نخستین فراورده فتوسنتزی تبدیل شود ، بلکه ابتدا طی یک واکنش غیر فتو شیمیایی توسط یک مولکول آلی که نقش پذیرند ه دی اکسید کربن را ایفا می کند ، پذیرفته می شود .پس از روشن شدن اینکه اسید 3- فسفو گلیسریک نخستین فراورده پایدار فتوسنتزی است ، راه برای شناخت ماهیت پذیرند ه دی اکسید کربن فتوسنتزی هموارشد . چون با به کار بردن دی اکسید کربن رادیواکتیو ، 2 تا 5 ثانیه پس از تغذیه Co2 14 توسط گیاه سبز قسمت اعظم رادیواکتیویته در گروه کربوکسیل اسید 3- فسفوگلیسریک مشاهده می شود ، این امر وجود واکنش کربو کسیله شدن را در محیط فعالیت فتوسنتزی نشان می دهد .

پس همان که می بینیم ، واکنش کربو کسیله شدن واکنشی است که طی آن مولکول Co2 خود را در بین بنیان آلی R و یک اتم H جایگزین می کند و د رنتیجه مولکول Co2 توسط اتم H احیا می شود و گروه کربوکسیل را به وجود می آورد. بلافاصله پس از کشف اسید فسفر گلیسریک به عنوان نخستین فراورده فتوسنتزی چنین تصور شد که احتمالا ماده پذیرند ه Co2 گلیکول فسفات (  P OCH2.CH2OH )  است که خود مشتق از گلیکول (CH2OH.CH2OH) است. این فرضیه هرگز به اثبات نرسید . پس از کشف رابطه بین ریبولوز  5،1  – دی فسفات و اسید فسفو گلیسریک

در بررسیهای متالیسم کربن فتوسنتزی با کاربرد روش کروماتو گرافی کاغذی و عکسبرداری از مواد رادیواکتیو ، ماهیت پذیرنده اولیه Co2 نیز روشن شد . هنگامی که ریبولوز - 5،1 –  دی فسفات به دی اکسید کربن افزوده شود یک ترکیب آلی اسیدی 6 کربنی ناپایدار به وجود می آید که پس از تجزیه به 2 مولکول آلی سه کربنی تبدیل می شود .