Photosynthesis แบบบูรณาการ

องค์ประกอบการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช

เรื่องที่ 1 คลอโรพลาสต์

เป็นการเตรียมพร้อมก่อนเรียน

ผู้เรียนควรพยายามดึงความรู้ที่มีอยู่แล้ว เพื่อตอบคำถามข้างล่างนี้ หรืออย่างน้อยก็พยายาม
ตริตรองเพื่อทำความเข้าใจในประเด็นของคำถามเหล่านี้

คำถามนำ นักเรียนบอกได้ไหมว่า

• พลังงานแสงอาทิตย์เอาไปใช้ในขั้นตอนใดของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
• ถ้าเราสกัดคลอโรฟิลล์และสารอื่นๆออกจากคลอโรพลาสต์ และฉายแสงเข้าไปในสารละลายดังกล่าว ท่านคิดว่าสารละลายดังกล่าว จะสามารถตรึงคาร์บอนไดออกไซด์และสร้างน้ำตาลได้หรือไม่
• ถ้าเราใช้ CO₂ + H₂O + คลอโรฟิลล์ + แสง จะทำให้เกิดการสังเคราะห์ด้วยแสงหรือไม่

จากรูปที่สรุปการสังเคราะห์ด้วยแสงอย่างสังเขป (ในหน้าวัตถุประสงค์ของบทเรียน) ท่านจะนำเอาความรู้เกี่ยวกับแสง พลังงานของแสง สเปคตรัม ปฏิกิริยาระหว่างควันตัมของแสงกับอิเล็กตรอน การใช้พลังงานศักย์ของอิเล็กตรอน การสร้างพันธะโควาเลนท์ และการรีดิวซ์  มาช่วยให้เกิดความเข้าใจได้มากขึ้นอย่างไร

กิจกรรมการเรียนรู้แบบสืบเสาะ
1.ให้นักเรียนศึกษาภาพการทดลองและเนื้อแล้วตอบคำถาม

ก่อนที่เราจะได้เรียนกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช เราควรทราบถึงโครงสร้างของคลอโรพลาสต์       การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นบริเวณส่วนที่เป็นสีเขียวของพืช เช่น ใบ   สีเขียวของใบไม้เกิดขึ้นจากสารคลอโรฟิลล์ ซึ่งทำหน้าที่รับพลังงานจากแสงอาทิตย์    คลอโรฟิลล์พบอยู่ในคลอโรพลาสต์   โครงสร้างของไทลาคอยด์แสดงไว้ในรูป 1.2 พร้อมปฏิกิริยา 

รูปที่ 1.1  องค์ประกอบของคลอโรพลาสต์ดังแสดงในรูปที่ 1.1 คลอโรพลาสต์ซึ่งประกอบด้วยเยื่อหุ้ม 2 ชั้น เยื่อหุ้มชั้นในพับซ้อนไปมา เป็นโครงสร้างที่เรียกว่า ไทลาคอยด์ (thylakoid) ซึ่งมีลักษณะคล้ายถุงใส่น้ำ เยื่อหุ้มไทลาคอยด์คือบริเวณที่มีสารสีที่ใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสงอยู่

รูปที่ 1.2  โครงสร้างของไทลาคอยด์ (thylakoid)

ไทลาคอยด์ เป็นโครงสร้างที่ใช้รับพลังงานจากแสงเพื่อใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง สร้างขึ้นจากส่วนหนึ่งของเยื่อหุ้มชั้นในของคลอโรพลาสต์ (inner membrane) ไทลาคอยด์เรียงซ้อนกันเป็นตั้ง แต่ละตั้งเรียกว่ากรานัม (granum) ในไทลาคอยด์มีโพรงอยู่ภายในเรียกว่าลูเมน (lumen)  ซึ่งมีของเหลวอยู่ภายใน ส่วนผนังหุ้มไทลาคอยด์เรียกว่า เยื่อหุ้มไทลาคอยด์ (thylakoid membrane) และจะมีท่อไทลาคอยด์เชื่อมติดต่อระหว่างกรานัมเรียกว่า สโตรมาไทลาคอยด์ (stromal thylakoid) หรือ stromal lamella ส่วนที่อยู่ภายนอกกรานัม เรียกว่า สโตรมา (stroma) ซึ่งประกอบด้วยของเหลวที่เป็นแหล่งของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่ไม่ต้องใช้แสง (ปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์)

รูปที่ 1.3  ภาพตัดขวางของไทลาคอยด์

บนเยื่อหุ้มของไทลาคอยด์ นอกจากจะมีสารสีที่ใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง ยังมีองค์ประกอบสำหรับนำอิเล็กตรอน คือ ระบบแสง II ( photosystem II ) ทำหน้าที่ช่วยปั๊มโปรตอน เข้ามาในไทลาคอยด์ มีระบบไซโตโครม ( cytochrome system ) มีองค์ประกอบที่ช่วยในการสร้าง NADPH คือ ระบบแสง I ( photosystem I ) และสร้าง ATP คือ ATP synthase complex โดยการสร้าง NADPH และ ATP นี้จะเกิดนอกถุงไทลาคอยด์ ซึ่งจะได้ทราบรายละเอียดต่อไป

 

รูปที่ 1.4  ภาพขยายของเยื่อหุ้มไทลาคอยด์

เยื่อหุ้มไทลาคอยด์เป็นส่วนที่กั้นระหว่างสโตรมาที่อยู่ภายนอกไทลาคอยด์  และลูเมนที่อยู่ภายในไทลาคอยด์   โดยมีระบบแสง II (photosystem II หรือ P680)   ระบบไซโตโครม (cytochrome system)   ระบบแสง I (photosystem I หรือ P700)  ทำหน้าที่ส่งผ่านอิเล็กตรอน โดยมีเอนไซม์ NADP reductase เป็นตัวสร้าง NADPH และเอนไซม์ ATP synthase เป็นตัวสร้าง ATP หน้าที่ของแต่ละองค์ประกอบมีโดยสรุปดังต่อไปนี้ 
ระบบแสง II ทำหน้าที่รับพลังงานแสงจากศูนย์เกิดปฏิกิริยา (reaction center) และส่งอิเล็กตรอน ซึ่งจะเคลื่อนที่ไปสู่ตัวรับส่ง อิเล็กตรอนตัวอื่นๆ เช่น ระบบไซโตโครมต่างๆ และระบบแสง I ส่วนอิเล็กตรอนที่สูญเสียไป จากระบบแสง II (P 680) ก็จะได้รับทดแทนมาจากการแตกตัวของโมเลกุลของน้ำไปเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และ ก๊าซออกซิเจน ( โปรดดูรายละเอียดในรูปที่ 2.4 และ 2.7 ) 

• ระบบไซโตโครม (cytochrome b6/f) ทำหน้าที่ส่งผ่านอิเล็กตรอน ซึ่งพลังงานจากการเคลื่อนที่ของ อิเล็กตรอนจะช่วยทำให้โปรตอนเคลื่อนที่จากภายนอกไทลาคอยด์หรือ สโตรมา เข้ามาภายในไทลาคอยด์ หรือลูเมน
• ระบบแสง I หน้าที่ส่วนหนึ่งคือรีดิวซ์ (reduce) สาร NADP⁺ ( ในที่นี้หมายความว่า NADP⁺ ได้รับอิเล็กตรอน และ/หรือ ไฮโดรเจน ) ไปเป็น NADPH  ระบบแสง I ถูกกระตุ้นโดยอิเล็กตรอนที่ถูกส่งผ่านมาจากระบบไซโตโครมและส่งต่อไป เพื่อทำให้ NADP⁺ เปลี่ยนเป็น NADPH ( โปรดดูรายละเอียดในรูปที่ 2.4 - 2.6 )
• กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชต้องใช้ระบบแสง 2 ระบบทำงานร่วมกันคือระบบแสง I และระบบแสง II ซึ่งได้พิสูจน์โดยการทดลองของ R.Emerson 
  ATP synthase ทำหน้าที่สร้าง ATP จาก ADP และ  Pi

   

 ATP และ NADPH ที่ได้นี้จะนำไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงขั้นต่อไป คือปฏิกิริยาที่ไม่ต้องใช้แสง

ดูรายละเอียดของปฏิกิริยาที่ใช้แสง และปฏิกิริยาที่ไม่ใช้แสงในบทที่ 2 และ 3ตามลำดับ

 
ที่มา : https://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&id=1975