การสังเคราะห์ด้วยแสง Photosynthesis

การสังเคราะห์ด้วยแสง สิ่งมีชีวิตมีวิธีการหาอาหารหลากหลายวิธี หากแบ่งตามการได้มาของอาหาร จะแบ่งออกเป็น 2 วิธี ดังนี้ 1. Heterotroph (Hetero=ตัวอื่น , Troph=กิน ) ผู้บริโภค เช่น พืช สัตว์ 2. Autotroph (Auto=ด้วยตนเอง Troph=กิน) ผู้ผลิต เช่น พืช สาหร่าย โพรทิสต์บางชนิด แบคทีเรียบางชนิด

การสังเคราะห์ด้วยแสง การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการที่ผู้ผลิตนำพลังงานแสงมาใช้สร้างอาหารจำพวกน้ำตาลจากปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) กับไฮโดรเจน (H) ของน้ำ (H2O) หรือไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) และได้แก๊สออกซิเจน (O2) หรือกำมะถัน (S) เป็นผลิตผลพลอยได้

การสังเคราะห์ด้วยแสง ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงของผู้ผลิต การสังเคราะห์ด้วยแสงของผู้ผลิตกลุ่มต่างๆจะใช้วัตถุดิบและเกิดผลผลิตที่แตกต่างกัน ได้แก่ 1. ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชและสาหร่าย 6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6H2O + 6O2 2. ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรียสีม่วง 6CO2 + 12H2S C6H12O6 + 6H2O + 12S

การสังเคราะห์ด้วยแสง ความสำคัญของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง 1. เป็นกระบวนการสร้างสารอินทรีย์ได้มากที่สุดในโลกของสิ่งมีชีวิต 2. เป็นกระบวนการช่วยลด CO2 ซึ่งเป็นการลดปัญหาปรากฏการณ์เรือนกระจก และช่วยเพิ่ม O2 ให้กับสิ่งแวดล้อม 3. เป็นกระบวนการนำพลังงานจากนอกโลก (พลังงานแสง) มาเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์เคมีในรูปสารอาหารอินทรีย์ แล้วถ่ายทอดไปตามโซ่อาหารและสายใยอาหารต่อไป

การสังเคราะห์ด้วยแสง คลอโรพลาสต์ (Chloroplast) คลอโรพลาสต์เป็นเม็ดสีที่มีสีเขียว ทำหน้าที่หลักเกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสงพบหนาแน่นมากที่สุดใน palisade cell ของใบ

การสังเคราะห์ด้วยแสง คลอโรพลาสต์มีเยื่อหุ้ม 2 ชั้น โดยเยื่อชั้นนอกจะแสดงขอบเขตของคลอโรพลาสต์ ส่วนเยื่อชั้นในจะแผ่เข้าไปข้างในกลายเป็นโครงสร้างที่เรียกว่า ลาเมลลา ลาเมลลาประกอบด้วย ไทลาคอยด์ กรานุม และ สโตรมา

การสังเคราะห์ด้วยแสง รงควัตถุชนิดต่างๆ ที่ทำหน้าที่ดูดซับพลังงานแสงจะอยู่รวมกันเป็นกลุ่มบน thylakoid membrane เรียกว่า Antenna ซึ่งประกอบไปด้วยโปรตีน คลอโรฟิลล์ แคโรทีนอยด์ และรงควัตถุประกอบอื่นๆ (ในกรณีของสาหร่าย)

การสังเคราะห์ด้วยแสง รงควัตถุที่ Antenna จะทำหน้าที่ดูดซับพลังงานแสงแล้วส่งไปยังคลอโรฟิลล์ที่เป็นศูนย์กลางปฏิกิริยา ซึ่งประกอบด้วย chlorophyll a และโปรตีน Chlorophyll a ในศูนย์กลางปฏิกิริยาทำหน้าที่โดยตรงในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ส่วนรงควัตถุอื่นๆทำหน้าที่ช่วยในการดูดซับพลังงานแสง

Antenna complex Light Carotenoids Accessory pigment Chlorophyll b Chlorophyll a Essential pigment e- Reaction center Chlorophyll a

การสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถจำแนกตามการใช้แสงออกได้ 2 กระบวนการด้วยกัน ได้แก่ 1. ปฏิกิริยาใช้แสง (light reaction) เป็นปฏิกิริยาขั้นตอนที่พืชรับพลังงานแสงมาใช้สร้างสารอินทรีย์พลังงานสูง 2 ชนิด ได้แก่ NADPH+H+ และ ATP โดยใช้ H2O เป็นวัตถุดิบ และเกิด O2 เป็นผลิตผลพลอยได้ เกิดที่ Thylakoid membrane 2. ปฏิกิริยาไม่ใช้แสง (dark reaction หรือ CO2 fixation) เป็นปฏิกิริยาขั้นตอนการสร้างน้ำตาล PGAL จาก CO2 กับ H ของ H2O ที่อยู่ในรูป NADPH+H+ โดยอาศัยพลังงานจาก ATP เกิดที่ Stroma

การสังเคราะห์ด้วยแสง 1. ปฏิกิริยาใช้แสง (light reaction) ปฏิกิริยาใช้แสงจะเกิดขึ้นได้จะต้องอาศัยแสง โดยปฏิกิริยานี้จะเกิดขึ้นบน thylakoid membrane โดยจะเปลี่ยนพลังงานแสงไปเป็นพลังงานเคมี โดยการออกซิไดซ์น้ำ (H2O) ผลที่ได้จากการออกซิไดซ์น้ำ คือ O2 มีการสร้างสารอินทรีย์พลังงานสูง 2 ชนิด ได้แก่ ATP และ NADPH ซึ่ง NADPH จะถูกนำไปใช้ในกระบวนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์

การสังเคราะห์ด้วยแสง ระบบแสง (photosystem) คือ บริเวณที่ตัวรับอิเล็กตรอน เม็ดสี และ กลุ่มของโปรตีนมาทำงานร่วมกัน มีอยู่ 2 ชนิด Antenna Complex และ Reaction Center แต่ละกลุ่มจะฝังอยู่ในโปรตีน Photosystem จะฝังอยู่ใน Thylakoid membrane มี 2 ประเภท ได้แก่ ระบบแสง I เป็นระบบแสงที่มีคลอโรฟิลล์เอเป็นศูนย์กลางปฏิกิริยารับพลังงานแสงขั้นต่ำที่สุดที่ความยาวคลื่น 700 nm จึงเรียกศูนย์กลางปฏิกิริยาของระบบแสง I นี้ว่า P700 ระบบแสง II เป็นระบบแสงที่มีคลอโรฟิลล์เอเป็นศูนย์กลางปฏิกิริยารับพลังงานแสงขั้นต่ำที่สุดที่ความยาวคลื่น 680 nm จึงเรียกศูนย์กลางปฏิกิริยาของระบบแสง II นี้ว่า P680

การสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสง เมื่อระบบแสง I และระบบแสง II รับพลังงานแสงในช่วงความยาวคลื่นที่พอเหมาะสำหรับแต่ละระบบจะเกิดการสูญเสียอิเล็กตรอน โดยมีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเกิดขึ้น 2 แบบ คือ การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบไม่เป็นวัฏจักร และการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบเป็นวัฏจักร

การสังเคราะห์ด้วยแสง การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบไม่เป็นวัฎจักร 1. ได้ O2 ที่เกิดจากการแตกตัวของน้ำ 2. มีการสร้าง ATP 3. มีการสร้าง NADPH+H+ e การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบวัฎจักร 1. มีการสร้าง ATP 2. ไม่มีการสร้าง NADPH+H+ 2. ไม่มี O2 เกิดขึ้น e

การสังเคราะห์ด้วยแสง ระบบแสงที่เกี่ยวข้อง ความยาวคลื่นแสงที่เกี่ยวข้อง สิ่งเปรียบเทียบ การถ่ายทอด e- แบบไม่เป็นวัฏจักร แบบเป็นวัฏจักร ระบบแสงที่เกี่ยวข้อง PS I และ PS II PS I ความยาวคลื่นแสงที่เกี่ยวข้อง 680 และ 700 nm 700 nm ATP เกิด การแตกตัวของน้ำ เกิดได้ O2 ไม่เกิด NADPH และ O2

การสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถจำแนกตามการใช้แสงออกได้ 2 กระบวนการด้วยกัน ได้แก่ 1. ปฏิกิริยาใช้แสง (light reaction) เป็นปฏิกิริยาขั้นตอนที่พืชรับพลังงานแสงมาใช้สร้างสารอินทรีย์พลังงานสูง 2 ชนิด ได้แก่ NADPH+H+ และ ATP โดยใช้ H2O เป็นวัตถุดิบ และเกิด O2 เป็นผลิตผลพลอยได้ 2. ปฏิกิริยาไม่ใช้แสง (dark reaction หรือ CO2 fixation) เป็นปฏิกิริยาขั้นตอนการสร้างน้ำตาล PGAL จาก CO2 กับ H ของ H2O ที่อยู่ในรูป NADPH+H+ โดยอาศัยพลังงานจาก ATP

การสังเคราะห์ด้วยแสง 2. ปฏิกิริยาไม่ใช้แสง (dark reaction หรือ CO2 fixation) เป็นปฏิกิริยาขั้นตอนการสร้างน้ำตาล PGAL จาก CO2 กับ H ของ H2O ที่อยู่ในรูป NADPH+H+ โดยอาศัยพลังงานจาก ATP เดิมเรียกว่าปฏิกิริยาไม่ใช้แสง แต่ไม่จริงเพราะเอนไซม์ส่วนใหญ่ต้องถูกกระตุ้นด้วยแสงก่อน เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Calvin cycle

การสังเคราะห์ด้วยแสง Calvin Cycle แบ่งออกเป็น 3 ขั้น 1. CO2 Fixation 2. Reduction 3. Regeneration

การสังเคราะห์ด้วยแสง Calvin Cycle 1. CO2 Fixation เป็นการนำน้ำตาล C5 อะตอมเรียก RuBP มาทำปฏิกิริยากับ CO2 เร่งปฏิกิริยาโดย Rubisco ได้สาร C6 ที่ไม่เสถียร และแตกตัวเป็นสาร C3 อะตอมเรียกว่า PGA (เสถียร)

การสังเคราะห์ด้วยแสง 2. Reduction คือ การเอากรด PGA มารีดิวซ์ด้วย NADPH และทำปฏิกิริยากับ ATP ได้น้ำตาล C3 อะตอมเรียก G3P หรือ PGAL น้ำตาล PGAL ที่ได้บางตัวจะออกจาก calvin cycle ไปรวมกับ PGAL ตัวอื่นกลายเป็นคาร์โบไฮเดรตโมเลกุลใหญ่ โดยเฉพาะแป้งและน้ำตาลซูโครส

การสังเคราะห์ด้วยแสง 3. Regeneration คือ น้ำตาล PGAL ที่เหลือจะกลับเข้าวัฏจักร โดยทำปฏิกิริยากับ ATP ได้น้ำตาล RuBP เตรียมรวมกับ CO2 ต่อไป

การสังเคราะห์ด้วยแสง สรุป Calvin cycle Calvin cycle ที่สมบูรณ์ 1 รอบจะได้ PGAL (C3) 1 โมเลกุลออกมา โดยใช้ 9ATP และ 6NADPH เพราะฉะนั้นถ้าอยากได้น้ำตาล C6 อะตอม เช่น กลูโคส จะต้องหมุนวัฏจักรนี้ 2 รอบ สารอื่นๆที่ใช้ก็ต้องเป็น 2 เท่าตามไปด้วย จากสมการ 6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6H2O + 6O2 จะเห็นว่า O ในน้ำตาลมาจาก CO2 แต่ O ใน O2 แตกตัวมาจากน้ำ

การสังเคราะห์ด้วยแสง Photorespiration RuBP Ribuose bisphosphate Carboxylase Ribuose bisphosphate Oxygenase + CO2 + O2 + PGA PCO

การสังเคราะห์ด้วยแสง การกำจัดสารที่เกิดจาก O2 ทำปฏิกิริยากับ Rubisco จะต้องใช้การหายใจแสง ซึ่งเสียทั้ง ATP แถมยังทำให้ตรึง CO2 ได้น้อยลง เพราะฉะนั้นพืชที่เจริญในเขตร้อน เช่น พืช C4 (ข้าวโพด อ้อย ข้าวฟ่าง) หรือพืช CAM (กล้วยไม้ กระบองเพชร สับปะรด) จะต้องมีการปรับตัวเพื่อให้สามารถดำรงชีวิตอยู่ในสภาวะแวดล้อมที่อากาศร้อนจัดได้ โดยทั้งพืช C4 และ CAM จะใช้เอนไซม์ PEP carboxylase ซึ่งสามารถจับได้เฉพาะ CO2 และจับได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงไม่ทำให้พืช C4 และ CAM เกิดการหายใจแสง