عملية البناء أو التركيب أو التمثيل الضوئي أو صنع الغذاء في النباتات

وهي عملية معقدة وحيوية مهمة تحدث في النباتات والطحالب والبكتيريا الخضراء المزرقة حيث يتم فيها تحويل الطاقة الضوئية الشمسية من طاقة كهرومغناطيسية على شكل فوتونات أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية تخزن في روابط سكر الجلوكوز .

  أهمية عملية البناء الضوئي :-

1-      إنتاج الغذاء للنباتات .

      2- إنتاج الأكسجين اللازم لعملية التنفس .

3- المحافظة على ثبات نسبة الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الجو ، إن عملية التركيب الضوئي لعملية ربانية في توازن الغازات في الغلاف الجوي للأرض خاصة فيما يخص غازي ثاني أكسيد الكربون والأكسجين حيث يأخذ النبات من التربة الماء و هنا تبدا عملية البناء الضوئي حيث يتحلل الماء بفعل الفوتونات الضوئية الممتصة من قبل المستقبلات الخضراء ويتحلل إلى جزيء أكسجين تطرح في الهواء وجزيئين هدروجين تمتصا من قبل النبات حيث تساهم ثلاث جزيئات هدرجين + جزيء كربون ممتصة من الهواء في تشكيل جزيئ ATP قابلة للحرق أو الاستهلاك أو التخزين في شكل نشا ، و هكذا تتم المبادلات الغازية التي تعمل على إحلال التوازن فيما يخص الغازين CO2 & O2 .

تحتاج عملية البناء الضوئي إلى عناصر لحدوثها وهي الماء والضوء وثاني أكسيد الكربون والمادة الخضراء الموجودة في البلاستيدات وهي أجزاء خلوية تتم فيها عملية البناء الضوئي.

تحدث عملية البناء الضوئي على مرحلتين تبعاً لحاجتهما للضوء ولكنهما مرتبطتان يبعضهما :-  

المرحلة الأولى : التفاعلات الضوئية (تحتاج للضوء ) : يتم فيها امتصاص الطاقة الضوئية بوساطة جزيء الكلوروفيل وتحويلها إلى طاقة كيميائية تختزن مؤقتاً في جزيئات غنية بالطاقة  وهذه التفاعلات تضم نوعين من التفاعلات حلقية ولا حلقية .

  ** التفاعلات الضوئية الحلقية كما يلي -: سميت هذه التفاعلات بالحلقية لأن الإلكترونات المهيجة في النظام الضوئي الأول بفعل الطاقة الضوئية تعود مرة أخرى إلى مركز التفاعل الذي انطلقت منه مروراً بسلسلة نقل الإلكترون ينتج من هذه التفاعلات ATP فقط   .

  ** التفاعلات الضوئية اللاحلقية :- يوجد نظامان لامتصاص الطاقة الضوئية في البلاستيدات الخضراء النظام الضوئي الأول يمتص موجات الضوء بطول (700) نانومتر النظام الضوئي الثاني يمتص موجات الضوء بطول (680) نانومتر .

  تمتص جزيئات الكلوروفيل في النظام الضوئي الأول موجات الضوء بطول (700) نانومتر وتنقلها إلى مركز التفاعل مؤدية إلى إطلاق إلكترونات مهيجة (غنية بالطاقة) ويحدث فقد للإلكترونات .

تمتص جزيئات الكلوروفيل في النظام الضوئي الثاني موجات الضوء بطول (680) نانومتر ، وتنقلها إلى مركز التفاعل مؤدية إلى إطلاق إلكترونات مهيجة ويحدث تحلل للماء.

وفيما يلي ملخص للتفاعلات الضوئية اللاحلقية :-

1-      تمتص جزيئات الكلوروفيل في النظام الضوئي الأول موجات الضوء بطول (700) نانومتر وتنقلها إلى مركز التفاعل مؤدية إلى إطلاق إلكترونات مهيجة (غنية بالطاقة) ويحدث فقد للإلكترونات .

2-      تمتص جزيئات الكلوروفيل في النظام الضوئي الثاني موجات الضوء بطول (680) نانومتر ، وتنقلها إلى مركز التفاعل مؤدية إلى إطلاق إلكترونات مهيجة ويحدث تحلل للماء .

3-      الإلكترونات المهيجة والتي يفقدها النظام الضوئي الثاني تنتقل بوساطة سلسلة نقل الإلكترون إلى النظام الضوئي الأول لتعويض الإلكترونات المفقودة ملاحظة : أثناء إنتقال الإلكترونات بين النظام الثاني والأول في سلسلة نقل الإلكترون يتم بناء جزيئات ATP .

4-      فيتحول إلى الإلكترونات المهيجة والبروتونات الناتجة من تحلل الماء يستقبلها مركب ناقل للهيدروجين +NADP شكل مختزل هو NADPH .

المرحلة الثانية :  التفاعلات اللاضوئية  :- تحدث هذه التفاعلات في منطقة اللُحمة (الستروما) بوجود الأنزيمات والمواد اللازمة يتطلب حدوث هذه التفاعلات وجود ATP ، NADPH الناتجين من التفاعلات الضوئية

تشتمل حلقة كلفن سلسلة من التفاعلات تبدأ بالسكر الخماسي ربيولوز ثنائي الفوسفات وثحدث حلقة كلفن حسب الخطوات التالية :-

1-      تتحد ثلاثة جزيئات من CO2 مع ثلاثة جزيئات ربيولوز ثنائي الفسفات وتسمى هذه العملية تثبيت ثنائي أكسيد .

2-      يتحلل المركب الوسطي غير الثابت لحظياً عند تكونه ، فينشطر إلى جزئين من حمص غليسرين أحادي الفوسفات (PGA) .

3-      يتم اختزال كل جزيء من حمض غليسرين أحادي الفسفات باستخدام جزيء ATP والهيدروجين في مركب NADPH لينتج مركب غليسر الدهايد أحادي الفسفات (PGAL) .

4-      لإعادة بناء ثلاثة جزيئات من  ATP تمر خمسة جزيئات من PGAL في سلسلة من التفاعلات يلزمها 3 جزيئات ATP ربيولوز ثنائي الفسفات ، مما يسمح باستمرار حلقة كالفن يشكل الناتج النهائي لحلقة كالفن ويستخدم في بناء المواد العضوية الأخرى من PGAL .

 وأخيراَ هاتان المعدلتان توضحان التكامل بين عمليتي التنفس والبناء الضوئي :-

            معادلة البناء الضوئي 

                         6CO₂ + 6H₂O + light + chloroplasts = C₆H₁₂O₆ + 6O₂

             معادلة التنفس الخلوي

                                         C6H2C6+2O2+2H2O=6CO2+12H2O+2860kj

  من خلال هاتين المعادلتين نتوصل إلى ما يلي :

1- نواتج عملية التنفس هي مواد داخلة ( متفاعلة ) في عملية البناء الضوئي , ونواتج عملية البناء الضوئي هي مواد متفاعلة في علمية التنفس الخلوي.

2- في كلا العمليتين يتم استخدام سلسلة نقل الإلكترون لإنتاج ATP.

3- تتضمن حلقتي كربس وكالفن إعادة ترتيب ذرات الكربون في مركبات عضوية وتعدان مصدراً للهيكل الكربوني الذي يستخدم في تفاعلات البناء الحيوية.

4- نواتج حلقة كربس ATP, NADH,FADH₂ , وفي حلقة كالفن يتم إستخدام ATP,NADH.

5- جزيء CO₂ يربط بين حلقتي كربس وكلفن.