જીવવિજ્ઞાન પ્રકાશસંશ્લેષણ

પ્રકાશસંશ્લેષણ શું છે?#

પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યો સાયનોબેક્ટેરિયાની થાયલેકોઈડ પટલોમાં હોય છે.

પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યોના પ્રકારો#

પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યોના બે મુખ્ય પ્રકાર છે:

• ક્લોરોફિલ્સ લીલા રંજકદ્રવ્યો છે જે પ્રકાશસંશ્લેષણ માટે આવશ્યક છે. તેઓ સ્પેક્ટ્રમના વાદળી અને લાલ ભાગોમાં પ્રકાશ ઊર્જા શોષી લે છે અને લીલો પ્રકાશ પરાવર્તિત કરે છે, તેથી જ છોડ લીલા દેખાય છે.
• કેરોટિનોઈડ્સ નારંગી અથવા પીળા રંજકદ્રવ્યો છે જે પ્રકાશ ઊર્જા શોષવામાં ક્લોરોફિલ્સની સહાય કરે છે. તેઓ અતિવાદળી (UV) કિરણોત્સર્ગથી નુકસાનથી ક્લોરોફિલ્સનું રક્ષણ પણ કરે છે.

પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યોની રચના#

પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યો પોર્ફિરિન હેડ અને લાંબા હાઇડ્રોકાર્બન ટેલથી બનેલા છે. પોર્ફિરિન હેડ એક સપાટ, વલયાકાર અણુ છે જેમાં મેગ્નેશિયમ આયન હોય છે. હાઇડ્રોકાર્બન ટેલ એક લાંબી, સાંકળ જેવી અણુ છે જે રંજકદ્રવ્યને થાયલેકોઈડ પટલ સાથે જોડાઈ રહેવામાં મદદ કરે છે.

પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યોનું કાર્ય#

પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યો પ્રકાશ ઊર્જા શોષી લે છે અને તેનો ઉપયોગ પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રક્રિયા ચલાવવા માટે કરે છે. પ્રકાશ ઊર્જાનો ઉપયોગ પાણીને વિભાજિત કરવા માટે થાય છે. હાઇડ્રોજન અણુઓનો પછી કાર્બન ડાયોક્સાઈડને ઘટાડીને ગ્લુકોઝ બનાવવા માટે ઉપયોગ થાય છે, જે એક શર્કરા છે જેનો છોડ ઊર્જા માટે ઉપયોગ કરે છે. ઑક્સિજન અણુઓ વાતાવરણમાં મુક્ત થાય છે.

પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યોનું મહત્વ#

પૃથ્વી પરના જીવન માટે પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યો આવશ્યક છે. તેઓ છોડને સૂર્યપ્રકાશને ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરવા દે છે જેનો ઉપયોગ તેઓ વૃદ્ધિ અને પ્રજનન માટે કરી શકે છે. પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યો વિના, છોડ જીવી શકત નથી, અને સમગ્ર ખાદ્ય શૃંખલા નાશ પામે.

પ્રકાશસંશ્લેષક રંજકદ્રવ્યો અદ્ભુત અણુઓ છે જે પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રક્રિયામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. તેઓ પૃથ્વી પરના જીવન માટે આવશ્યક છે અને કુદરતી વિશ્વની અતુલ્ય વૈવિધ્યતા અને જટિલતાના પ્રમાણપત્ર છે.

પ્રકાશ પ્રક્રિયા#

પ્રકાશ પ્રક્રિયા પ્રકાશસંશ્લેષણનો પ્રથમ તબક્કો છે, જે ક્લોરોપ્લાસ્ટના થાયલેકોઈડ પટલોમાં થાય છે. તે એક શ્રેણી છે.

પ્રકાશ પ્રક્રિયાના પગલાં

પ્રકાશ પ્રક્રિયાને બે મુખ્ય પગલાઓમાં વિભાજિત કરી શકાય છે:

1. ફોટોસિસ્ટમ II: આ પ્રકાશ પ્રક્રિયાનું પ્રથમ પગલું છે, અને તે ક્લોરોપ્લાસ્ટના થાયલેકોઈડ પટલોમાં થાય છે. આ પગલામાં, પ્રકાશ ઊર્જાનો ઉપયોગ પાણીના અણુઓને ઑક્સિજન અને પ્રોટોનમાં વિભાજિત કરવા માટે થાય છે. ઑક્સિજન વાતાવરણમાં મુક્ત થાય છે, જ્યારે પ્રોટોનનો ઉપયોગ ATP ઉત્પન્ન કરવા માટે થાય છે.
2. ફોટોસિસ્ટમ I: આ પ્રકાશ પ્રક્રિયાનું બીજું પગલું છે, અને તે પણ ક્લોરોપ્લાસ્ટના થાયલેકોઈડ પટલોમાં થાય છે. આ પગલામાં, પ્રકાશ ઊર્જાનો ઉપયોગ ક્લોરોફિલ અણુઓમાંથી ઇલેક્ટ્રોનને ઉત્તેજિત કરવા માટે થાય છે. આ ઇલેક્ટ્રોન પછી ઇલેક્ટ્રોન વાહકોની શ્રેણીમાંથી પસાર થાય છે, અને અંતે તેઓ NADP+ ને NADPH માં ઘટાડે છે.

પ્રકાશ પ્રક્રિયાના ઉત્પાદનો

પ્રકાશ પ્રક્રિયાના ઉત્પાદનો છે:

ઑક્સિજન: આ પ્રકાશસંશ્લેષણનું ઉપ-ઉત્પાદન છે, અને તે વાતાવરણમાં મુક્ત થાય છે. ATP: આ એક ઊર્જા-વાહક અણુ છે જેનો ઉપયોગ કેલ્વિન ચક્રને શક્તિ આપવા માટે થાય છે, જે પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયા છે.

• NADPH: આ એક ઊર્જા-વાહક અણુ છે જેનો ઉપયોગ કેલ્વિન ચક્રને શક્તિ આપવા માટે પણ થાય છે.

પ્રકાશ પ્રક્રિયાનું મહત્વ

પ્રકાશ પ્રક્રિયા પ્રકાશસંશ્લેષણ માટે આવશ્યક છે, કારણ કે તે કાર્બન ડાયોક્સાઈડને ગ્લુકોઝમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે જરૂરી ઊર્જા અને ઘટાડની શક્તિ પૂરી પાડે છે. પ્રકાશ પ્રક્રિયા વિના, પ્રકાશસંશ્લેષણ શક્ય નથી, અને છોડ તેમના અસ્તિત્વ માટે જરૂરી ખોરાક ઉત્પન્ન કરી શકત નથી.

વધારાની નોંધો

• પ્રકાશ પ્રક્રિયાને “પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓ” અથવા “Z-યોજના” તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે.
• પ્રકાશ પ્રક્રિયા એક ખૂબ જ કાર્યક્ષમ પ્રક્રિયા છે, અને તે તેના દ્વારા શોષાતી પ્રકાશ ઊર્જાના 100% સુધીને રાસાયણિક ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરી શકે છે.
• પ્રકાશ પ્રક્રિયા પર્યાવરણ માટે પણ એક ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ પ્રક્રિયા છે, કારણ કે તે વાતાવરણમાંથી કાર્બન ડાયોક્સાઈડ દૂર કરવામાં અને ઑક્સિજન ઉત્પન્ન કરવામાં મદદ કરે છે.

ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન પ્રણાલી#

ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન પ્રણાલી (ETS), જેને શ્વસન શૃંખલા તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે આંતરિક માઇટોકોન્ડ્રિયલ પટલમાં સ્થિત પ્રોટીન સંકુલોની શ્રેણી છે. તે સેલ્યુલર શ્વસનનું અંતિમ પગલું છે, જ્યાં ગ્લુકોઝના ઑક્સિડેશનથી મુક્ત થયેલી ઊર્જાનો ઉપયોગ ATP ઉત્પન્ન કરવા માટે થાય છે.

ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન પ્રણાલીના ઘટકો

ETS ચાર પ્રોટીન સંકુલો ધરાવે છે:

• સંકુલ I (NADH-CoQ રિડક્ટેઝ): આ સંકુલ NADH થી ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારે છે, જે ગ્લાયકોલિસિસ અને સાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર દરમિયાન ઉત્પન્ન થાય છે. ઇલેક્ટ્રોન પછી કોએન્ઝાઇમ Q (CoQ) પર સ્થાનાંતરિત થાય છે.
• સંકુલ II (સક્સિનેટ ડિહાઇડ્રોજેનેઝ): આ સંકુલ સક્સિનેટ થી ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારે છે, જે સાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર દરમિયાન ઉત્પન્ન થાય છે. ઇલેક્ટ્રોન પછી CoQ પર સ્થાનાંતરિત થાય છે.
• સંકુલ III (સાયટોક્રોમ c રિડક્ટેઝ): આ સંકુલ CoQ થી ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારે છે અને તેમને સાયટોક્રોમ c પર સ્થાનાંતરિત કરે છે.
• સંકુલ IV (સાયટોક્રોમ c ઑક્સિડેઝ): આ સંકુલ સાયટોક્રોમ c થી ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારે છે અને તેમને ઑક્સિજન પર સ્થાનાંતરિત કરે છે, જે પાણીમાં ઘટાડાય છે.

ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન પ્રણાલીની ક્રિયાવિધિ

ETS રેડોક્સ પ્રક્રિયાઓની શ્રેણી દ્વારા કાર્ય કરે છે, જેમાં ઇલેક્ટ્રોન એક અણુથી બીજા અણુ પર સ્થાનાંતરિત થાય છે. આ પ્રક્રિયાઓમાંથી મુક્ત થયેલી ઊર્જાનો ઉપયોગ આંતરિક માઇટોકોન્ડ્રિયલ પટલમાં પ્રોટોન પંપ કરવા માટે થાય છે, જે પ્રોટોન ઢાળ બનાવે છે. આ ઢાળ પછી ATP સિન્થેઝ દ્વારા ATP ની સંશ્લેષણ ચલાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

ETS ની સમગ્ર પ્રક્રિયા છે:

$\ce{ NADH + H+ + 1/2 O2 → NAD+ + H2O + 2H+ + 2e- }$

ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન પ્રણાલીનું મહત્વ

ETS એ ATP ની પેદાશ માટે આવશ્યક છે, જે કોષની પ્રાથમિક ઊર્જા ચલણ છે. ETS વિના, કોષો તેમની ઊર્જાની જરૂરિયાતો પૂરી કરવા માટે પૂરતું ATP ઉત્પન્ન કરી શકત નથી અને અંતે નાશ પામે.

ATP ઉત્પાદનમાં તેની ભૂમિકા ઉપરાંત, ETS પ્રતિક્રિયાશીલ ઑક્સિજન પ્રજાતિઓ (ROS) ની પેદાશમાં પણ ભૂમિકા ભજવે છે. ROS એવા અણુઓ છે જેમાં ઑક્સિજન હોય છે અને ખૂબ પ્રતિક્રિયાશીલ હોય છે. તેઓ કોષો અને DNA ને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે, અને વૃદ્ધત્વ અને કેન્સરમાં ભૂમિકા ભજવે છે તેવું માનવામાં આવે છે. જો કે, સંકેત આપવા અને રોગપ્રતિકારક કાર્ય માટે ROS પણ મહત્વપૂર્ણ છે. ETS ROS ની પેદાશ નિયંત્રિત કરવામાં મદદ કરે છે, ખાતરી કરે છે કે કોષોમાં તેમના કાર્યો કરવા માટે પૂરતા ROS હોય પરંતુ નુકસાન ન થાય.

કેમિઓસ્મોટિક પૂર્વધારણા#

કેમિઓસ્મોટિક પૂર્વધારણા એક સિદ્ધાંત છે જે સમજાવે છે કે કોષો એડેનોસિન ટ્રાયફોસ્ફેટ (ATP), કોષની પ્રાથમિક ઊર્જા ચલણ, કેવી રીતે ઉત્પન્ન કરે છે. તે 1961 માં બ્રિટિશ જૈવરસાયણશાસ્ત્રી પીટર મિચેલ દ્વારા પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવી હતી.

મુખ્ય મુદ્દાઓ

• કેમિઓસ્મોટિક પૂર્વધારણા જણાવે છે કે જ્યારે પટલમાં પ્રોટોન ઢાળ બનાવવામાં આવે છે, ત્યારે ATP ઉત્પન્ન થાય છે, અને આ ઢાળ ATP સિન્થેઝ દ્વારા ATP ની સંશ્લેષણ ચલાવે છે.
• પ્રોટોન ઢાળ ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન શૃંખલા દ્વારા બનાવવામાં આવે છે, જે માઇટોકોન્ડ્રિયલ મેટ્રિક્સમાંથી પ્રોટોનને આંતરપટલ જગ્યામાં પંપ કરે છે.
• પ્રોટોન ઢાળ ATP સિન્થેઝ દ્વારા ATP ની સંશ્લેષણ ચલાવવા માટે ઊર્જા પૂરી પાડે છે, જે પ્રોટોન ઢાળની ઊર્જાનો ઉપયોગ ADP ને ફોસ્ફરીલેટ કરીને ATP બનાવવા માટે કરે છે.

ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન શૃંખલા

ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન શૃંખલા આંતરિક માઇટોકોન્ડ્રિયલ પટલમાં સ્થિત પ્રોટીન સંકુલોની શ્રેણી છે. આ સંકુલો NADH અને FADH2 ના ઑક્સિડેશનથી મુક્ત થયેલી ઊર્જાનો ઉપયોગ માઇટોકોન્ડ્રિયલ મેટ્રિક્સમાંથી પ્રોટોનને આંતરપટલ જગ્યામાં પંપ કરવા માટે કરે છે.

પ્રોટોન ઢાળ

પ્રોટોન ઢાળ એ પટલમાં પ્રોટોનની સાંદ્રતામાં તફાવત છે. આંતરિક માઇટોકોન્ડ્રિયલ પટલના કિસ્સામાં, આંતરપટલ જગ્યામાં માઇટોકોન્ડ્રિયલ મેટ્રિક્સ કરતાં પ્રોટોન સાંદ્રતા વધારે છે.

ATP સિન્થેઝ

ATP સિન્થેઝ એ આંતરિક માઇટોકોન્ડ્રિયલ પટલમાં સ્થિત પ્રોટીન સંકુલ છે. તે પ્રોટોન ઢાળની ઊર્જાનો ઉપયોગ ADP ને ફોસ્ફરીલેટ કરીને ATP બનાવવા માટે કરે છે.

સમગ્ર પ્રક્રિયા

કેમિઓસ્મોટિક પૂર્વધારણાનો સારાંશ નીચે મુજબ આપી શકાય છે:

ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન શૃંખલા આંતરપટલ જગ્યામાંથી પ્રોટોનને માઇટોકોન્ડ્રિયલ મેટ્રિક્સમાં પંપ કરે છે, જે પ્રોટોન ઢાળ બનાવે છે. 2. પ્રોટોન ઢાળ ATP સિન્થેઝ દ્વારા ATP ની સંશ્લેષણ ચલાવવા માટે ઊર્જા પૂરી પાડે છે, જે પ્રોટોન ઢાળની ઊર્જાનો ઉપયોગ ADP ને ફોસ્ફરીલેટ કરીને ATP બનાવવા માટે કરે છે.

કેમિઓસ્મોટિક પૂર્વધારણા જૈવરસાયણશાસ્ત્રમાં એક મૂળભૂત ખ્યાલ છે અને કોષો ATP કેવી રીતે ઉત્પન્ન કરે છે તે સમજવા માટે આવશ્યક છે.

કેલ્વિન ચક્ર#

અંધકાર પ્રક્રિયા, જેને કેલ્વિન ચક્ર અથવા પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયાઓ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે પ્રકાશસંશ્લેષણનો બીજો તબક્કો છે. તે ક્લોરોપ્લાસ્ટના સ્ટ્રોમામાં થાય છે અને સીધી રીતે પ્રકાશ ઊર્જાની જરૂર નથી. તેના બદલે, તે પ્રકાશ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલ ATP અને NADPH નો ઉપયોગ કાર્બન ડાયોક્સાઈડને ગ્લુકોઝ અને અન્ય કાર્બનિક અણુઓમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે કરે છે.

કેલ્વિન ચક્રના પગલાં

પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયાનો સારાંશ નીચેના પગલાઓમાં આપી શકાય છે:

1. કાર્બન સ્થાપન: વાતાવરણમાંથી કાર્બન ડાયોક્સાઈડ ક્લોરોપ્લાસ્ટમાં ફેલાય છે અને રિબ્યુલોઝ 1,5-બાયફોસ્ફેટ (RuBP) સાથે જોડાઈને બે અણુ 3-ફોસ્ફોગ્લિસરેટ (3-PGA) બનાવે છે. આ પ્રક્રિયા એન્ઝાઇમ રિબ્યુલોઝ 1,5-બાયફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝ/ઑક્સિજનેઝ (રુબિસ્કો) દ્વારા ઉત્પ્રેરિત થાય છે.
2. ઘટાડો: 3-PGA અણુઓ પછી ATP અને NADPH નો ઉપયોગ કરીને ગ્લિસરાલ્ડેહાઇડ 3-ફોસ્ફેટ (G3P) માં ઘટાડવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા એન્ઝાઇમ ગ્લિસરાલ્ડેહાઇડ 3-ફોસ્ફેટ ડિહાઇડ્રોજેનેઝ દ્વારા ઉત્પ્રેરિત થાય છે.
3. RuBP નું પુનરુદ્ધાર: G3P ના એક અણુનો ઉપયોગ RuBP ને પુનઃજનિત કરવા માટે થાય છે, જે પછી કાર્બન સ્થાપનના બીજા ચક્રમાં ભાગ લઈ શકે છે. આ પ્રક્રિયા એન્ઝાઇમ રિબ્યુલોઝ બાયફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝ/ઑક્સિજનેઝ (RuBisCO) દ્વારા ઉત્પ્રેરિત થાય છે.
4. ગ્લુકોઝ અને અન્ય કાર્બનિક અણુઓની રચના: બાકીના G3P અણુઓનો ઉપયોગ ગ્લુકોઝ અને અન્ય કાર્બનિક અણુઓ, જેમ કે સુક્રોઝ, સ્ટાર્ચ અને એમિનો એસિડની સંશ્લેષણ માટે થઈ શકે છે. આ પ્રક્રિયાઓ વિવિધ એન્ઝાઇમો દ્વારા ઉત્પ્રેરિત થાય છે, જેમાં ગ્લુકોઝ-6-ફોસ્ફેટ આઇસોમરેઝ, ફોસ્ફોફ્રક્ટોકાઇનેઝ અને સુક્રોઝ ફોસ્ફેટ સિન્થેઝનો સમાવેશ થાય છે.

અંધકાર પ્રક્રિયાનું મહત્વ

પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયા પ્રકાશસંશ્લેષણ માટે આવશ્યક છે કારણ કે તે કાર્બન ડાયોક્સાઈડને ગ્લુકોઝ અને અન્ય કાર્બનિક અણુઓમાં રૂપાંતરિત કરે છે જેનો ઉપયોગ છોડ વૃદ્ધિ અને ઊર્જા ઉત્પાદન માટે કરી શકે છે. પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયા વિના, છોડ જીવી શકત નથી.

અંધકાર પ્રક્રિયાને અસર કરતા પરિબળો

અંધકાર પ્રક્રિયાનો દર અનેક પરિબળો દ્વારા પ્રભાવિત થાય છે, જેમાં શામેલ છે:

• પ્રકાશ તીવ્રતા: અંધકાર પ્રક્રિયા પ્રકાશ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલ ATP અને NADPH પર આધારિત છે. તેથી, પ્રકાશ તીવ્રતા વધે તેમ અંધકાર પ્રક્રિયાનો દર વધે છે. અંધકાર પ્રક્રિયા તાપમાન દ્વારા પણ પ્રભાવિત થાય છે. અંધકાર પ્રક્રિયા માટે શ્રેષ્ઠ તાપમાન લગભગ 25 થી 30 ડિગ્રી સેલ્સિયસ છે.
• કાર્બન ડાયોક્સાઈડ સાંદ્રતા: કાર્બન ડાયોક્સાઈડ સાંદ્રતા વધે તેમ અંધકાર પ્રક્રિયાનો દર વધે છે. પાણીની ઉપલબ્ધતા: અંધકાર પ્રક્રિયાને ATP અને NADPH ઉત્પન્ન કરવા માટે પાણીની જરૂર છે. તેથી, પાણીની ઉપલબ્ધતા ઘટે તેમ અંધકાર પ્રક્રિયાનો દર ઘટે છે.

કેલ્વિન ચક્ર પ્રકાશસંશ્લેષણનો એક આવશ્યક ભાગ છે જે કાર્બન ડાયોક્સાઈડને ગ્લુકોઝ અને અન્ય ક