تفاوت بین فتوسنتز و تنفس نوری چیست

تفاوت اصلی بین فتوسنتز و تنفس نوری در این است که فتوسنتز زمانی اتفاق می‌افتد که آنزیم روبیسکو (RuBisCO) با دی اکسید کربن واکنش می‌دهد در حالی که تنفس نوری زمانی رخ می‌دهد که آنزیم RuBisCO با اکسیژن واکنش می‌دهد. علاوه بر این، تنفس نوری کارایی فتوسنتز را کاهش می‌دهد.

فتوسنتز و تنفس نوری دو فرآیندی هستند که در طی تولید انرژی با استفاده از نور خورشید در گیاهان اتفاق می‌افتند. RuBisCO آنزیم قابل سرزنش برای جابجایی بین این دو فرآیند است.

کلمات کلیدی: دی اکسید کربن (Carbon Dioxide)، واکنش‌های تاریکی (Dark Reaction)، واکنش‌های وابسته به نور (Light Reaction)، تنفس نوری (Photorespiration)، فتوسنتز (Photosynthesis)، روبیسکو (RuBisCO) 

فتوسنتز چیست

فتوسنتز فرآیندی است که با استفاده از انرژی نور خورشید از دی اکسید کربن و آب شروع به تولید گلوکز می‌کند. رنگدانه‌های فتوسنتزی مانند کلروفیل، کاروتنوئیدها و فیکوبیلین‌ها انرژی نور خورشید را به دام می‌اندازند. در گیاهان و جلبک‌ها، این رنگدانه‌ها در کلروپلاست‌ها متمرکز می‌شوند. اکسیژن به عنوان محصول جانبی فتوسنتز آزاد می‌شود. فتوسنتز یکی از فرآیندهای کلیدی است که روی زمین اتفاق می‌افتد و انرژی نور را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند. گلوکز تولید شده از این فرآیند می‌تواند برای تولید ATP در فرآیند دیگری به نام تنفس سلولی استفاده شود. 

واکنش‌های فرآیند فتوسنتز را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: واکنش‌های وابسته به نور و واکنش‌های تاریکی.

واکنش‌های وابسته به نور

واکنش‌های وابسته به نور روی غشای تیلاکوئید گرانا، پشته‌های تیلاکوئیدی که در استرومای یک کلروپلاست جاسازی شده‌اند، رخ می‌دهد. رنگدانه‌های فتوسنتزی به صورت فتوسنترهای روی غشای تیلاکوئید سازماندهی می‌شوند. Photosystem II انرژی نور را جذب می‌کند و به فوتوسنتر (مرکز نوری واکنش) منتقل می‌کند و امکان تولید الکترون‌های پرانرژی را فراهم می‌کند. این الکترون‌های پر انرژی از طریق کمپلکس سیتوکروم b6f به فتوسیستم I حرکت می‌کنند. آنها بیشتر از طریق یک سری حامل‌های فرودوکسین حرکت می‌کنند و NADPH را تولید می‌کنند. کمبود الکترونی که در فتوسیستم‌ها رخ می‌دهد با تجزیه مولکول‌های آب در فرآیندی به نام فوتولیز (تجزیه نوری آب) جبران می‌شود. یون هیدروژن حاصل در تولید ATP استفاده می‌شود.

شکل ۱: واکنش‌های وابسته به نور

واکنش‌های تاریکی

واکنش‌های تاریکی، پس از واکنش‌های وابسته به نور انجام می‌شوند. در اینجا، NADPH و ATP تولید شده توسط واکنش‌های وابسته به نور برای تولید گلوکز از دی اکسید کربن و آب استفاده می‌شود. واکنش‌های تاریکی که از طریق چرخه C3 رخ می‌دهد، چرخه کالوین نیز نامیده می‌شود. این چرخه بدون استفاده از نور در استرومای کلروپلاست رخ می‌دهد. تثبیت کربن در چرخه کالوین با استفاده از آنزیم RuBisCO (ریبولوز-۱،۵-بیس فسفات کربوکسیلاز/اکسیژناز)، انجام می‌شود. این آنزیم یک اتم کربن از دی اکسید کربن را به RuBP (ریبولوز ۱،۵-بیس فسفات) تثبیت می‌کند و ۳-فسفوگلیسرات را تولید می‌کند. برخی از مولکول‌های ۳ فسفوگلیسرات کاهش می‌یابند و گلوکز تشکیل می‌دهند در حالی که بقیه برای تولید RuBP بازیافت می‌شوند. ضمن تولید یک مولکول گلوکز، ۱۸ATP و ۱۲NADPH در چرخه کالوین مصرف می‌شود.

واکنش‌های تاریکی که از طریق چرخه C4 رخ می‌دهد، مسیر Hatch-Slack نامیده می‌شود که در طی تثبیت کربن آن، دی اکسید کربن ابتدا به PEP و سپس به RuBP تبدیل می‌شود. 

تنفس نوری چیست؟

تنفس نوری (Photo Respiration) مهار چرخه کالوین در حضور اکسیژن اضافی است. تنفس نوری نه تنها از تثبیت کربن جلوگیری می‌کند بلکه منجر به از دست دادن دی اکسید کربن می‌شود. از این رو، تنفس نوری سنتز قند را کاهش می‌دهد و انرژی سلول را هدر می‌دهد. توانایی RuBisCO برای اتصال با اکسیژن مسئول تنفس نوری است. از این رو، در حضور اکسیژن، RuBisCO به جای دی اکسید کربن، اکسیژن را به RuBP در چرخه کالوین اضافه می‌کند. در این واکنش دو مولکول تولید می‌شود: ۳-PGA که واسطه چرخه کالوین است و فسفوگلیکولات که نمی‌تواند وارد چرخه کالوین شود. با این حساب، تنفس نوری کربن‌ها را از چرخه کالوین می‌دزدد یا حذف می‌کند. علاوه بر این، گیاهان از یک سری واکنش برای بازیابی فسفوگلیکولات استفاده می‌کنند که انرژی سلول را نیز می‌دزدد. از این رو، چرخه  C4 این مشکل را با تثبیت مضاعف دی اکسید کربن برطرف می‌کند. دی اکسید کربن را توسط PEP کربوکسیلاز به PEP (فسفونولپیروات) ثابت می‌کند و اگزالواستات را در سلول‌های مزوفیل تولید می‌کند. PEP کربوکسیلاز میل ترکیبی بالاتری نسبت به دی اکسید کربن و میل ترکیبی کم نسبت به اکسیژن دارد. سپس اگزالواستات به مالات تبدیل می‌شود و به سلول‌های غلاف آوندی منتقل می‌شود. مالات به دی اکسید کربن و پیروات در داخل سلول‌های غلاف آوندی تجزیه می‌شود و غلظت دی اکسید کربن را در داخل سلول افزایش می‌دهد. در حضور غلظت بالای دی اکسید کربن، RuBisCO با اکسیژن متصل نمی‌شود.

شکل ۲: تنفس نوری و چرخه کالوین

شباهت‌های بین فتوسنتز و تنفس نوری

• فتوسنتز و تنفس نوری دو فرآیندی هستند که در طی تولید گلوکز در گیاهان اتفاق می‌افتند.
• آنها در طی واکنش‌های وابسته به نور انجام می‌گیرند.
• هر دو فرآیند از آنزیم RuBisCO استفاده می‌کنند.

تفاوت بین فتوسنتز و تنفس نوری

تعریف

فتوسنتز به فرآیندی اطلاق می‌شود که گیاهان سبز و برخی دیگر از موجودات زنده از نور خورشید برای سنتز مواد مغذی از دی اکسید کربن و آب استفاده می‌کنند، در حالی که تنفس نوری به فرآیند تنفسی اشاره دارد که برخلاف الگوی فتوسنتز، طی آن گیاهان در نور اکسیژن را جذب می‌کنند و مقداری دی اکسید کربن آزاد می‌کنند. 

دی اکسید کربن / اکسیژن

فتوسنتز عمدتاً در حضور دی اکسید کربن اتفاق می‌افتد در حالی که تنفس نوری عمدتاً در حضور اکسیژن رخ می‌دهد. این یکی از تفاوت‌های اصلی بین فتوسنتز و تنفس نوری است.

تأثیر نور

واکنش‌های تاریکی فتوسنتز در غیاب نور یعنی در شب رخ می‌دهند، در حالی که تنفس نوری در حضور نور، در طول روز رخ می‌دهد.

نوع گیاهان

فتوسنتز عمدتاً در گیاهان C4 اتفاق می‌افتد در حالی که تنفس نوری عمدتاً در گیاهان C3 رخ می‌دهد. 

فعالیت RuBisCO

RuBisCO (روبیسکو)، ۳-PGA را از RuBP در فتوسنتز تولید می‌کند در حالی که RuBisCO (روبیسکو)، PGA-3 و فسفوگلیکولات را از RuBP در تنفس نوری تولید می‌کند.

تثبیت کربن

فتوسنتز فرآیند اصلی تثبیت کربن در گیاهان است در حالی که تنفس نوری مقداری از کربنی که از قبل تثبیت شده را هدر می‌دهد.

تثبیت انرژی

فتوسنتز فرآیند اصلی تثبیت انرژی در گیاهان است در حالی که تنفس نوری مقداری از انرژی تولید شده توسط سلول را هدر می‌دهد.

بهره‌وری

تفاوت مهم دیگر بین فتوسنتز و تنفس نوری، کارایی تولید گلوکز است. فتوسنتز یک فرآیند کارآمد برای تولید گلوکز است در حالی که تنفس نوری یک فرآیند کمتر کارآمد برای تولید گلوکز است.

نتیجه

فتوسنتز فرآیندی است که در تولید گلوکز از دی اکسید کربن و آب با استفاده از انرژی نور خورشید انجام می‌شود. در طول فتوسنتز، آنزیم RuBisCo با دی اکسید کربن متصل می‌شود و آن را به RuBP اضافه می‌کند. با این حال، تنفس نوری یک فرآیند جایگزین فتوسنتز است که در آن آنزیم RuBisCO در غلظت‌های پایین دی اکسید کربن به اکسیژن متصل می‌شود. علاوه بر این، تنفس نوری یک فرآیند بدون کارایی است زیرا هم کربن و هم انرژی از قبل ثابت شده را هدر می‌دهد. بنابراین، یک تفاوت مهم بین فتوسنتز و تنفس نوری، کارایی تولید گلوکز است.