Lecture-9 Photosynthesis: Light and Dark Reaction
प्रकाश संश्लेषण: प्रकाश व अप्रकाश अभिक्रिया (Photosynthesis: Light and Dark Reaction):-
1. सामान्य परिचय (General Introduction):-
· प्रकाश संश्लेषण एक भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया है जिसके द्वारा हरे पौधे कार्बनिक यौगिकों को संश्लेषित करने के लिए प्रकाश ऊर्जा (सौर ऊर्जा) का उपयोग करते हैं।
(Photosynthesis is a physio-chemical process by which green plants use light energy (solar energy) to synthesize organic compounds.)
· प्रकाश संश्लेषण पृथ्वी पर जीवन का आधार है।
(Photosynthesis is the basis of life on earth.)
· अंततः सभी जीवित जीव ऊर्जा के लिए सूर्य के प्रकाश पर निर्भर करते हैं।
(Ultimately, all living forms depend on sunlight for energy.)
· प्रकाश संश्लेषण का महत्व: -
(Importance of Photosynthesis:-)
2. Experiments related with photosynthesis:-
a. Variegated leaf experiment:-
· 2 पत्तियां लेते हैं - एक चितकबरी पत्ती या आंशिक रूप से काले पेपर से ढकी पत्ती, और एक जो प्रकाश के संपर्क में थी।
(Take 2 leaves - a variegated leaf or leaf partially covered with black paper, and one that was exposed to light.)
· स्टार्च के लिए पत्तियों का परीक्षण करते हैं। यह दर्शाता है कि प्रकाश संश्लेषण केवल प्रकाश की उपस्थिति में पत्तियों के हरे भागों में होता है।
(Test the leaves for starch. It shows that photosynthesis occurs only in green parts of the leaves in presence of light.)
· परिणाम (Result):- पत्ती का हरा भाग नीले रंग में परिवर्तित हो जाता है। हरे भाग में स्टार्च बनती है। हरे भाग में प्रकाश संश्लेषण होता है। इससे यह प्रदर्शित करता है कि पर्णहरित प्रकाश संश्लेषण के लिए आवश्यक होता है।
(The green part of the leaf turns blue. Starch is formed in the green part. Photosynthesis takes place in the green part. This shows that chlorophyll is essential for photosynthesis.)
b. Half-leaf experiment:-
· पत्ती का एक भाग को KOH से भीगी रुई युक्त एक परखनली में बंद करते हैं। (जो CO2 अवशोषित कर लेता है)
[A part of a leaf is enclosed in a test tube containing KOH soaked cotton (which absorbs CO2).]
· पत्ती का अन्य आधा हिस्सा हवा के संपर्क में रखते हैं।
(The other half of leaf is exposed to air.)
· इस सेटअप को कुछ समय के लिए प्रकाश में रखते हैं।
(Place this setup in light for some time.)
· स्टार्च की उपस्थिति के लिए पत्ती का परीक्षण करते हैं। पत्ती का बाहरी हिस्सा स्टार्च के साथ नीला रंग देता है और ट्यूब के अंदर का भाग स्टार्च के साथ कोई रंग नहीं देता है। यह साबित करता है कि प्रकाश संश्लेषण के लिए CO2 आवश्यक होती है।
(Test the leaf for presence of starch. The exposed part of the leaf gives blue colour with starch and the portion in the tube gives no colour with starch. This proves that CO2 is required for photosynthesis.)
3. Site of Photosynthesis:-
· प्रकाश संश्लेषण हरी पत्तियों और पौधों के अन्य हरे भागों में होता है।
(Photosynthesis takes place in green leaves and other green parts of the plants.)
· हरितलवक पत्तियों की पर्ण मध्योत्तक कोशिकाओं में पाये जाते हैं। यह प्रकाश की इष्टतम मात्रा प्राप्त करने में मदद करता है।
(Chloroplasts present in the mesophyll cells of leaves. It helps to get optimum quantity of incident light.)
· क्लोरोप्लास्ट में एक झिल्लीदार तंत्र होता है जिसमें ग्रैना, स्ट्रोमा लैमिली और द्रव स्ट्रोमा शामिल होते हैं।
(Chloroplast contains a membranous system consisting of grana, stroma lamellae and fluid stroma.)
· प्रत्येक ग्रेनम झिल्ली आबद्ध थैलियों का एक समूह होता है जिन्हें थाइलेकोइड्स (लैमिली) कहा जाता है। इनमें पर्णीय वर्णक उपस्थित होते हैं।
(Each granum is a group of membrane-bound sacs called thylakoids (lamellae). They contain leaf pigments.)
4. Pigments involved in Photosynthesis:-
· वर्णक वे पदार्थ होते हैं जिनमें विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के प्रकाश को अवशोषित करने की क्षमता होती है।
(Pigments are substances that have ability to absorb light of specific wavelengths.)
· Chromatography shows the following leaf pigments:-
Ø क्लोरोफिल a (क्रोमैटोग्राम में चमकदार या नीला हरा)
[Chlorophyll a (bright or blue green in chromatogram)]
Ø क्लोरोफिल b (पीला हरा)
[Chlorophyll b (yellow green)]
Ø जेंथोफिल्स (पीला)
[Xanthophylls (yellow)]
Ø कैरोटेनॉइड्स (पीले से पीले-नारंगी)
[Carotenoids (yellow to yellow-orange)]
अंतिम तीन वर्णकों को सहायक वर्णक कहा जाता है।
(Last three pigments are called as accessory pigments.)
· Functions of accessory pigments:-
Ø वे विभिन्न तरंग दैर्ध्य के प्रकाश को अवशोषित करते हैं और ऊर्जा को क्लोरोफिल a में स्थानांतरित करते हैं।
(They absorb light of different wavelengths and transfer the energy to chlorophyll a.)
Ø वे प्रकाश-ऑक्सीकरण से क्लोरोफिल a की सुरक्षा करते हैं।
(They protect chlorophyll a from photo-oxidation.)
· Photosystems:-
Ø वर्णक प्रकाश तंत्र I (PS I) और प्रकाश तंत्र II (PS II) के भीतर दो प्रकाश रासायनिक लाइट हार्वेस्टिंग कॉम्प्लेक्स (LHC) में व्यवस्थित होते हैं। इन्हें इनकी खोज के क्रम में नामित किया गया है।
[The pigments are organized into two photochemical light harvesting complexes (LHC) within the Photosystem I (PS I) and Photosystem II (PS II). These are named in the sequence of their discovery.]
Ø LHC प्रोटीन से जुड़े सैकड़ों वर्णक अणुओं से बनते हैं। प्रत्येक प्रकाश तंत्र में क्लोरोफिल a के एक अणु को छोड़कर सभी वर्णक मिलकर एक लाइट हार्वेस्टिंग तंत्र (एंटीनी) का निर्माण करते हैं।
[LHC are formed of hundreds of pigment molecules bound to proteins. Each photosystem has all pigments (except one molecule of chlorophyll a) forming a light harvesting system (antennae).]
5. Light Reaction (Photochemical phase):-
इसमें प्रकाश अवशोषण, जल विपाटन, ऑक्सीजन का निकलना और उच्च ऊर्जा रासायनिक मध्यवर्तीयों (ATP और NADPH) का निर्माण शामिल है।
[It includes light absorption, water splitting, oxygen release, and formation of high-energy chemical intermediates (ATP & NADPH).]
a. The Electron Transport:-
· जब PS II, लाल प्रकाश की 680 nm तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करता है, तो इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होते हैं और एक इलेक्ट्रॉन ग्राही पर स्थानांतरित हो जाते हैं।
(When PS II, absorbs 680 nm wavelength of red light, electrons are excited and transferred to an electron acceptor.)
· इलेक्ट्रॉन ग्राही उन्हें इलेक्ट्रोन ट्रांसपोर्ट सिस्टम की एक श्रृंखला में पास करता है जिसमें साइटोक्रोम होते हैं।
(The electron acceptor passes them to a chain of electrons transport system consisting of cytochromes.)
· इसके साथ ही, PS I में इलेक्ट्रॉन्स भी उतेजित हो जाते हैं जब वे लाल प्रकाश (700 nm) प्राप्त करते हैं और एक अन्य ग्राही अणु पर स्थानांतरित कर दिया जाता है जिसका रेडॉक्स विभव अधिक होता है।
[Simultaneously, electrons in PS I are also excited when they receive red light (700 nm) and are transferred to another accepter molecule having a greater redox potential.]
b. Splitting of Water (Photolysis):-
· PS II से स्थानांतरित होने वाले इलेक्ट्रॉनों को प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए। यह जल के विपाटन से प्राप्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा किया जाता है।
(The electrons that are moved from PS II must be replaced. This is achieved by electrons getting by splitting of water.)
· PS II में जल विपाटन जटिल थाइलाकोइड झिल्ली के अंदर की तरफ स्थित होता है।
(The water splitting complex in PS II is located on the inner side of the thylakoid membrane.)
· जल H+, (O) और इलेक्ट्रॉनों में विपाटित होता है।
[Water is split into H+, (O) and electrons.]
c. Photophosphorylation:-
· कोशिकाओं द्वारा ATP के संश्लेषण को फॉस्फोरिलीकरण कहा जाता है। यह माइटोकॉन्ड्रिया और क्लोरोप्लास्ट में होता है।
[The synthesis of ATP by cells (in mitochondria & chloroplasts) is called phosphorylation.]
· प्रकाश की उपस्थिति में क्लोरोप्लास्ट में ADP से ATP के संश्लेषण को फॉस्फोरिलीकरण कहते हैं।
[Photophosphorylation is the synthesis of ATP from ADP in chloroplasts in presence of light.]
· यह 2 तरीकों से होता है: अचक्रीय और चक्रीय।
[It occurs in 2 ways: Non- cyclic and Cyclic.]
i. Non-cyclic photo-phosphorylation:-
ii. Cyclic photo-phosphorylation:-
d. Chemiosmotic Hypothesis:-
· यह क्लोरोप्लास्ट में ATP संश्लेषण की क्रियाविधि की व्याख्या करता है।
(It explains mechanism of ATP synthesis in chloroplast.)
· ATP संश्लेषण थायलेकोइड झिल्ली के पार एक प्रोटॉन प्रवणता के विकास से जुड़ा होता है।
(ATP synthesis is linked to development of a proton gradient across thylakoid membranes.)
· जल के अणु का विपाटन झिल्ली के अंदर की तरफ होता है। इसलिए प्रोटोन थायलेकोइड्स की गुहा में जमा होते हैं।
(Splitting of water molecule takes place on the inner side of the membrane. So the protons accumulate in the lumen of thylakoids.)
· जैसे जैसे इलेक्ट्रॉन्स प्रकाश तंत्रों के माध्यम से गति करते हैं, प्रोटॉन्स को झिल्ली के पार पहुँचाया जाता है।
(As electrons move through the photosystems, protons are transported across the membrane.)
· ऐसा इसलिए होता है क्योंकि प्रोटॉन्स को निम्नलिखित कारणों से स्ट्रोमा से हटा दिया जाता है: -
(This happens because protons are removed from the stroma for the following reasons:-)
6. Dark Reaction (Biosynthetic phase):-
· The Calvin Cycle (C3 pathway):-
कैल्विन पाथवे सभी प्रकाश संश्लेषी पौधों (C3 या C4 पौधों) में होता है। इसके 3 चरण होते हैं: कार्बोक्सीलिकरण, अपचयन और पुनरुद्धभवन।
[Calvin pathway occurs in all photosynthetic plants (C3 or C4 plants). It has 3 stages: carboxylation, reduction and regeneration.]
a. Carboxylation of RuBP:-
Ø यह सबसे महत्वपूर्ण चरण है जिसमें RuBP कार्बोक्सिलेज एंजाइम की उपस्थिती में RuBP (राइबुलोज बिस्फॉस्फेट) के द्वारा CO2 को दो 3-PGA अणुओं के रूप में स्थिर किया जाता है।
[It is the most crucial step in which CO2 is fixed by RuBP (ribulose bisphosphate) to two 3-PGA molecules in presence of the enzyme RuBP carboxylase.]
Ø RuBP (एक 5-कार्बन कीटोन शर्करा) CO2 का प्राथमिक ग्राही होता है।
[RuBP (a 5-carbon ketone sugar) is the primary acceptor of CO2.]
Ø चूँकि इस एंजाइम में ऑक्सीकरण क्रिया भी होती है इसलिए इसे RuBP कार्बोक्सिलेज-ऑक्सीजिनेज (RuBisCO) कहा जाता है।
[Since this enzyme also has an oxygenation activity it is called RuBP carboxylase-oxygenase (RuBisCO).]
b. Reduction:-
Ø यह ग्लूकोज निर्माण के लिए अभिक्रियाओं की एक श्रृंखला होती है।
(It is a series of reactions leading to the glucose formation.)
Ø यहाँ प्रति CO2 अणु, फॉस्फोरिलीकरण के लिए 2 ATP अणुओं और अपचयन के लिए 2 NADPH अणुओं का उपयोग किया जाता है।
(Here, 2 ATP molecules for phosphorylation and two of NADPH for reduction per CO2 molecule are used.)
Ø पाथवे से एक ग्लूकोज अणु को निकालने के लिए 6 CO2 अणुओं के स्थिरीकरण और केल्विन चक्र की 6 बार पुनरावर्ती आवश्यक होती है।
(Fixation of 6 CO2 molecules and 6 turns of the cycle are required for the removal of one glucose molecule from the pathway.)
c. Regeneration of RuBP:-
Ø यह कैल्विन चक्र को जारी रखने के लिए महत्वपूर्ण है।
(It is crucial for continuation of the cycle.)
Ø RuBP बनाने के लिए फॉस्फोरिलीकरण के लिए एक ATP की आवश्यकता होती है।
(It requires one ATP for phosphorylation to form RuBP.)
Ø इसलिए प्रत्येक CO2 अणु के लिए, 3 ATP अणु और 2 NADPH आवश्यक होते हैं।
(Hence for every CO2 molecule, 3 ATP molecules and 2 NADPH are required.)
Ø ग्लूकोज के एक अणु के निर्माण के लिए कैल्विन चक्र की 6 बार पुनरावर्ती की आवश्यकता होती है।
(To make one molecule of glucose 6 turns of the cycle are required.)
