فتوسسیستم I: نیروگاه کوچک تولید NADPH[1]
فتوسنتز چیست و فتوسسیستم I کجای آن قرار دارد؟
فتوسنتز مانند آشپزی یک گیاه است. گیاهان برای درست کردن غذای خود (قند) به مواد اولیه‌ای مانند آب (H2O) و دی‌اکسید کربن (CO2) نیاز دارند. اما برای انجام این پخت‌وپز به انرژی هم نیاز است. این انرژی را آن‌ها از نور خورشید می‌گیرند. فتوسنتز در اندامک‌هایی به نام کلروپلاست انجام می‌شود که داخل سلول‌های برگ گیاهان وجود دارند.
درون کلروپلاست، ساختارهای پشته‌ای به نام تیلاکوئید وجود دارد. فتوسسیستم I در غشای این کیسه‌های تیلاکوئید مستقر شده است. به زبان ساده، فتوسسیستم I مانند یک نیروگاه خورشیدی کوچک است که روی پشت‌بام یک خانه (تیلاکوئید) نصب شده است.
| ویژگی | فتوسسیستم I (PSI) | فتوسسیستم II (PSII) |
|---|---|---|
| مرکز واکنش | P700 | P680 |
| محصول نهایی اصلی | NADPH | ATP[5] و O2 |
| منبع الکترون | پلاستوسیانین[6] | تجزیه‌ی آب |
| مثال کاربردی | تأمین‌کننده‌ی قدرت کاهندگی برای ساخت قند | تأمین‌کننده‌ی انرژی و اکسیژن |
ساختار مولکولی فتوسسیستم I
فتوسسیستم I از چندین بخش اصلی تشکیل شده است که مانند قطعات یک کارخانه با هم همکاری می‌کنند:
۱. آنتن‌های نوری: این مولکول‌ها مانند دیش‌های ماهواره هستند که امواج نور را جمع‌آوری می‌کنند. آن‌ها از رنگ‌دانه‌هایی به نام کلروفیل a، کلروفیل b و کاروتنوئید[7] ساخته شده‌اند. انرژی نوری جذب‌شده توسط این آنتن‌ها، در نهایت به مرکز واکنش منتقل می‌شود.
۲. مرکز واکنش P700: این هسته‌ی مرکزی فتوسسیستم I است. P700 یک جفت خاص از مولکول‌های کلروفیل a است که طول موج نور 700 نانومتر را بهینه جذب می‌کند (از این رو P700 نامیده می‌شود). وقتی این مولکول‌ها یک فوتون[8] نور را جذب می‌کنند، یک الکترون برانگیخته و پرانرژی آزاد می‌کنند.
مراحل تولید NADPH به زبان ساده
فرآیند تولید NADPH در فتوسسیستم I را می‌توان در چند گام کلیدی خلاصه کرد:
گام اول: جذب نور و برانگیختگی
نور توسط آنتن‌های نوری جذب می‌شود و انرژی آن به مرکز واکنش P700 منتقل می‌گردد. یک الکترون در P700 با گرفتن این انرژی، "برانگیخته" شده و به سطح انرژی بالاتری می‌رود. این الکترون پرانرژی آماده‌ی است تا برای انجام کارهای مفید استفاده شود.
گام دوم: انتقال الکترون
این الکترون پرانرژی از P700 خارج شده و وارد یک "زنجیره‌ی انتقال الکترون" می‌شود. این زنجیره شامل چندین مولکول مختلف است که الکترون را از یکی به دیگری پاس می‌دهند. در حین این انتقال، بخشی از انرژی الکترون برای پمپاژ پروتون (H+) به درون فضای تیلاکوئید استفاده می‌شود که این پروتون‌ها بعداً برای ساخت ATP به کار می‌روند.
گام سوم: کاهش NADP+ به NADPH
الکترونی که حالا بخشی از انرژی خود را از دست داده اما هنوز مفید است، در انتهای زنجیره، به همراه یک پروتون (H+)، به مولکولی به نام NADP+ داده می‌شود. این واکنش توسط آنزیمی به نام فردوکسین-NADP+ ردوکتاز[9] کاتالیز می‌شود. نتیجه این کار تولید NADPH است.
واکنش کلی کاهش به این صورت است: $ 2e^{-} + 2H^{+} + NADP^{+} \rightarrow NADPH + H^{+} $
فتوسسیستم I در عمل: از نور تا قند
برای درک اهمیت فتوسسیستم I، بهتر است نگاهی به چرخه‌ی کامل فتوسنتز بیندازیم. NADPH تولیدشده توسط فتوسسیستم I، یک مولکول "کاهنده" بسیار قدرتمند است. یعنی تمایل زیادی برای دادن الکترون و اتم هیدروژن به مولکول‌های دیگر دارد.
این NADPH به مرحله‌ی بعدی فتوسنتز، یعنی چرخه‌ی کالوین[10] می‌رود. در چرخه‌ی کالوین، گیاه از دی‌اکسید کربن هوا برای ساخت قند استفاده می‌کند. این فرآیند به انرژی (که توسط ATP تأمین می‌شود) و الکترون/هیدروژن (که توسط NADPH تأمین می‌شود) نیاز دارد.
مثال: ساخت یک مولکول گلوکز (C6H12O6) در چرخه‌ی کالوین به 12 مولکول NADPH نیاز دارد. اگر فتوسسیستم I کار نکند، این NADPH تولید نمی‌شود و در نتیجه گیاه نمی‌تواند قند بسازد و رشد کند. مانند این است که در یک کارخانه‌ی تولید کیک، همه چیز آماده باشد اما شکر موجود نباشد!
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر، آن‌ها به صورت موازی و هم‌زمان کار می‌کنند، اما در یک "جریان خطی الکترون" به هم متصل هستند. الکترونی که توسط فتوسسیستم II از آب آزاد می‌شود، پس از عبور از یک زنجیره‌ی انتقال، کمبود الکترون فتوسسیستم I را جبران می‌کند. می‌توان گفت فتوسسیستم II، الکترون مورد نیاز فتوسسیستم I را تأمین می‌کند تا چرخه ادامه یابد.
پاسخ: هر دو حامل انرژی هستند، اما نوع انرژیی که حمل می‌کنند متفاوت است. ATP مانند یک "سکه‌ی انرژی" است که انرژی فوری را برای واکنش‌های مختلف سلول فراهم می‌کند. اما NADPH مانند یک "کارت هدیه‌ی مخصوص" است که قدرت کاهندگی (الکترون و هیدروژن) را برای ساخت مولکول‌های جدید مانند قند ارائه می‌دهد. فتوسسیستم I مستقیم‌ترین نقش را در تولید این "کارت هدیه" دارد.
پاسخ: فتوسسیستم I. زیرا مرکز واکنش آن (P700) نور قرمز با طول موج حدود 700 نانومتر را بهینه جذب می‌کند. این یک مثال عملی از نحوه‌ی پاسخگویی متفاوت این دو سیستم به نورهای با رنگ‌های مختلف است.
فتوسسیستم I یک نانوکارخانه‌ی بیولوژیکی فوق‌العاده است که نقش آن تبدیل انرژی نور به شکل شیمیایی قابل استفاده‌ی NADPH است. این مولکول، سوخت لازم برای تبدیل دی‌اکسید کربن بی‌اثر به مولکول‌های قند پرانرژی را فراهم می‌کند. بدون این سیستم، حیات گیاهی و در نتیجه حیات روی کره‌ی زمین که وابسته به آن است، وجود نداشت. درک این فرآیند نه تنها زیبایی جهان زنده را به ما نشان می‌دهد، بلکه پایه‌ای برای فناوری‌های آینده مانند سلول‌های خورشیدی بیومیمتیک[11] است.
پاورقی
[1] NADPH: Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate (نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات) - یک حامل انرژی و الکترون در سلول.
[2] Photosystem I: فتوسسیستم I.
[3] Thylakoid: تیلاکوئید - کیسه‌های غشایی درون کلروپلاست.
[4] Chloroplast: کلروپلاست - اندامک مسئول فتوسنتز در سلول گیاهی.
[5] ATP: Adenosine Triphosphate (آدنوزین تری فسفات) - واحد اصلی انرژی سلول.
[6] Plastocyanin: پلاستوسیانین - یک حامل الکترون مس‌دار.
[7] Carotenoid: کاروتنوئید - رنگ‌دانه‌های زرد، نارنجی و قرمز در گیاهان.
[8] Photon: فوتون - ذره‌ی تشکیل‌دهنده‌ی نور.
[9] Ferredoxin-NADP+ Reductase: فردوکسین-NADP+ ردوکتاز - آنزیم کاتالیزکننده تولید NADPH.
[10] Calvin Cycle: چرخه‌ی کالوین - مرحله‌ی تثبیت کربن در فتوسنتز.
[11] Biomimetic: بیومیمتیک - تقلید از مدل‌ها، سیستم‌ها و عناصر طبیعت برای حل مسائل پیچیده‌ی انسانی.