SATHEE: Chapter-13 Photosynthesis in Higher Plants

Chapter-13 Photosynthesis in Higher Plants

All animals including human beings depend on plants for their food. Have you ever wondered from where plants get their food? Green plants, in fact, have to make or rather synthesise the food they need and all other organisms depend on them for their needs. The green plants make or rather synthesise the food they need through photosynthesis and are therefore called autotrophs. You have already learnt that the autotrophic nutrition is found only in plants Photosynthesis and all other organisms that depend on the green plants for food are heterotrophs. Green plants carry out ‘photosynthesis’, a physico-chemical process by which they use light energy to drive the synthesis of organic compounds. Ultimately, all living forms on earth depend on sunlight for energy. The use of energy from sunlight by plants doing photosynthesis isthe basis of life on arth. Photosynthesis is important due to two reasons: it is the primary source of all food on earth. It is also responsible for the release of oxygen into the atmosphere by green plants. Have you ever thought what would happen if there were no oxygen to breath? This chapter focusses on the structure of the photosynthetic machinery and the various reactions that transform light energy into chemical energy.

13.1 WHAT DO WE KNOW?

Let us try to find out what we already know about photosynthesis. Some simple experiments you may have done in the earlier classes have shown that chlorophyll (green pigment of the leaf), light and $\mathrm{CO_2}$ are required for photosynthesis to occur.

You may have carried out the experiment to look for starch formation in two leaves - a variegated leaf or a leaf that was partially covered with black paper, and exposed to light. On testing these leaves for the presence of starch it was clear that photosynthesis occurred only in the green parts of the leaves in the presence of light.

Another experiment you may have carried out where a part of a leaf is enclosed in a test tube containing some KOH soaked cotton (which absorbs $\mathrm{CO_2}$), while the other half is exposed to air. The setup is then placed in light for some time. On testing for the presence of starch later in the two parts of the leaf, you must have found that the exposed part of the leaf tested positive for starch while the portion that was in the tube, tested negative. This showed that $\mathrm{CO_2}$ was required for photosynthesis. Can you explain how this conclusion could be drawn?

13.2 EARLY EXPERIMENTS

It is interesting to learn about those simple experiments that led to a gradual development in our understanding of photosynthesis.

Figure 13.1 Priestley’s experiment

Joseph Priestley (1733-1804) in 1770 performed a series of experiments that revealed the essential role of air in the growth of green plants. Priestley, you may recall, discovered oxygen in 1774. Priestley observed that a candle burning in a closed space - a bell jar, soon gets extinguished (Figure 13.1 a, b, c, d). Similarly, a mouse would soon suffocate in a closed space. He concluded that a burning candle or an animal that breathe the air, both somehow, damage the air. But when he placed a mint plant in the same bell jar, he found that the mouse stayed alive and the candle continued to burn. Priestley hypothesised as follows: Plants restore to the air whatever breathing animals and burning candles remove.

Can you imagine how Priestley would have conducted the experiment using a candle and a plant? Remember, he would need to rekindle the candle to test whether it burns after a few days. How many different ways can you think of to light the candle without disturbing the set-up?

Using a similar setup as the one used by Priestley, but by placing it once in the dark and once in the sunlight, Jan Ingenhousz (1730-1799) showed that sunlight is essential to the plant process that somehow purifies the air fouled by burning candles or breathing animals. Ingenhousz in an elegant experiment with an aquatic plant showed that in bright sunlight, small bubbles were formed around the green parts while in the dark they did not. Later he identified these bubbles to be of oxygen. Hence he showed that it is only the green part of the plants that could release oxygen.

It was not until about 1854 that Julius von Sachs provided evidence for production of glucose when plants grow. Glucose is usually stored as starch. His later studies showed that the green substance in plants (chlorophyll as we know it now) is located in special bodies (later called chloroplasts) within plant cells. He found that the green parts in plants is where glucose is made, and that the glucose is usually stored as starch.

Now consider the interesting experiments done by T.W Engelmann (1843 - 1909). Using a prism he split light into its spectral components and then illuminated a green alga, Cladophora, placed in a suspension of aerobic bacteria. The bacteria were used to detect the sites of $\mathrm{O_2}$ evolution. He observed that the bacteria accumulated mainly in the region of blue and red light of the split spectrum. A first action spectrum of photosynthesis was thus described. It resembles roughly the absorption spectra of chlorophyll a and b (discussed in section 13.4).

By the middle of the nineteenth century the key features of plant photosynthesis were known, namely, that plants could use light energy to make carbohydrates from $\mathrm{CO}_2$ and water. The empirical equation representing the total process of photosynthesis for oxygen evolving organisms was then understood as:

$\rm{CO}_2 \rm{H}_2\rm{O} \xrightarrow{\text{Light}} [\rm{CH}_2\rm{O}] + \rm{O}_2$

where $[\rm{CH}_2\rm{O}]$ represented a carbohydrate (e.g., glucose, a six-carbon sugar).

A milestone contribution to the understanding of photosynthesis was that made by a microbiologist, Cornelius van Niel (1897-1985), who, based on his studies of purple and green bacteria, demonstrated that photosynthesis is essentially a light-dependent reaction in which hydrogen from a suitable oxidisable compound reduces carbon dioxide to carbohydrates. This can be expressed by:

$2\rm{H}_2\rm{A}+\rm{CO}_2 \xrightarrow{\text{Light}} \rm{2A}+\rm{CH}_2{O}+\rm{H}_2\rm{O}$

In green plants $\mathrm{H}_2\mathrm{O}$ is the hydrogen donor and is oxidised to $\mathrm{O}_2$. Some organisms do not release $\mathrm{O}_2$ during photosynthesis. When $\mathrm{H}_2\mathrm{S}$, instead is the hydrogen donor for purple and green sulphur bacteria, the ‘oxidation’ product is sulphur or sulphate depending on the organism and not $\mathrm{O}_2$. Hence, he inferred that the $\mathrm{O}_2$ evolved by the green plant comes from $\mathrm{H}_2\mathrm{O}$, not from carbon dioxide. This was later proved by using radioisotopic techniques. The correct equation, that would represent the overall process of photosynthesis is therefore:

$6 \mathrm{CO_2}+12 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { Light }} \mathrm{C_6} \mathrm{H_{12}} \mathrm{O_6}+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}+6 \mathrm{O_2}$

where $\mathrm{C_6} \mathrm{H_{12}} \mathrm{O_6}$ represents glucose. The $\mathrm{O_2}$ released is from water; this was proved using radio isotope techniques. Note that this is not a single reaction but description of a multistep process called photosynthesis. Can you explain why twelve molecules of water as substrate are used in the equation given above?

13.3 WHERE DOES PHOTOSYNTHESIS TAKE PLACE?

You would of course answer: in ‘the green leaf’ or ‘in the chloroplasts’, based on what you earlier read in Chapter 8. You are definitely right. Photosynthesis does take place in the green leaves of plants but it does so also in other green parts of the plants. Can you name some other parts where you think photosynthesis may occur?

You would recollect from previous unit that the mesophyll cells in the leaves, have a large number of chloroplasts. Usually the chloroplasts align themselves along the walls of the mesophyll cells, such that they get the optimum quantity of the incident light. When do you think the chloroplasts will be aligned with their flat surfaces parallel to the walls? When would they be perpendicular to the incident light?

Figure 13.2 Diagrammatic representation of an electron micrograph of a section of chloroplast

You have studied the structure of chloroplast in Chapter 8. Within the chloroplast there is membranous system consisting of grana, the stroma lamellae, and the matrix stroma (Figure 13.2). There is a clear division of labour within the chloroplast. The membrane system is responsible for trapping the light energy and also for the synthesis of ATP and NADPH. In stroma, enzymatic reactions synthesise sugar, which in turn forms starch. The former set of reactions, since they are directly light driven are called light reactions (photochemical reactions). The latter are not directly light driven but are dependent on the products of light reactions (ATP and NADPH). Hence, to distinguish the latter they are called, by convention, as dark reactions (carbon reactions). However, this should not be construed to mean that they occur in darkness or that they are not

13.4 HOW MANY TYPES OF PIGMENTS ARE INVOLVED IN PHOTOSYNTHESIS?

Looking at plants have you ever wondered why and how there are so many shades of green in their leaves - even in the same plant? We can look for an answer to this question by trying to separate the leaf pigments of any green plant through paper chromatography. A chromatographic separation of the leaf pigments shows that the colour that we see in leaves is not due to a single pigment but due to four pigments: Chlorophyll a (bright or blue green in the chromatogram), chlorophyll b (yellow green), xanthophylls (yellow) and carotenoids (yellow to yellow-orange). Let us now see what roles various pigments play in photosynthesis.

Pigments are substances that have an ability to absorb light, at specific wavelengths. Can you guess which is the most abundant plant pigment in the world? Let us study the graph showing the ability of chlorophyll a pigment to absorb lights of different wavelengths (Figure 13.3 a). Of course, you are familiar with the wavelength of the visible spectrum of light as well as the VIBGYOR.

From Figure 13.3a can you determine the wavelength (colour of light) at which chlorophyll a shows the maximum absorption? Does it show another absorption peak at any other wavelengths too? If yes, which one?

Now look at Figure 13.3b showing the wavelengths at which maximum photosynthesis occurs in a plant. Can you see that the wavelengths at which there is maximum absorption by chlorophyll a, i.e., in the blue and the red regions, also shows higher rate of photosynthesis. Hence, we can conclude that chlorophyll a is the chief pigment associated with photosynthesis. But by looking at Figure 13.3c can you say that there is a complete one-to-one overlap between the absorption spectrum of chlorophyll a and the action spectrum of photosynthesis?

Figure 13.3a Graph showing the absorption spectrum of chlorophyll a, b andthe carotenoids

Figure 13.3b Graph showing action spectrum of photosynthesis

Figure 13.3c Graph showing action spectrum of photosynthesis superimposed on absorption spectrum of chlorophyll a

These graphs, together, show that most of the photosynthesis takes place in the blue and red regions of the spectrum; some photosynthesis does take place at the other wavelengths of the visible spectrum. Let us see how this happens. Though chlorophyll is the major pigment responsible for trapping light, other thylakoid pigments like chlorophyll b, xanthophylls and carotenoids, which are called accessory pigments, also absorb light and transfer the energy to chlorophyll a. Indeed, they not only enable a wider range of wavelength of incoming light to be utilised for photosyntesis but also protect chlorophyll a from photo-oxidation.

13.5 WHAT IS LIGHT REACTION?

Light reactions or the ‘Photochemical’ phase include light absorption, water splitting, oxygen Primary acceptor release, and the formation of high-energy chemical intermediates, ATP and NADPH. Several protein complexes are involved in the process. The pigments are organised into two discrete photochemical light harvesting complexes (LHC) within the Photosystem I (PS Reaction Photon I) and Photosystem II (PS II). These are named centre in the sequence of their discovery, and not in the sequence in which they function during the Pigment light reaction. The LHC are made up of molecules hundreds of pigment molecules bound to proteins. Each photosystem has all the pigments (except one molecule of chlorophyll a) forming a light harvesting system also called antennae (Figure 13.4). These pigments help to make photosynthesis more efficient by absorbing different wavelengths of light. The single chlorophyll a molecule forms the reaction centre. The reaction centre is different in both the photosystems. In PS I the reaction centre chlorophyll a has an absorption peak at 700 nm, hence is called P700, while in PS II it has absorption maxima at 680 nm, and is called P680.

Figure 13.4 The light harvesting complex

13.6 THE ELECTRON TRANSPORT

In photosystem II the reaction centre chlorophyll a absorbs 680 nm wavelength of red light causing electrons to become excited and jump into an orbit farther from the atomic nucleus. These electrons are picked up by an electron acceptor which passes them to an electrons transport system consisting of cytochromes (Figure 13.5). This movement of electrons is downhill, in terms of an oxidation-reduction or redox NADPH potential scale. The electrons are not used up as they pass through the electron transport chain, but are passed on to the pigments of photosystem PS I. Simultaneously, electrons in the reaction centre of PS I are also excited when they receive red light of wavelength 700 nm and are transferred to another accepter molecule that has a greater redox potential. These electrons then are moved downhill again, this time to a molecule of energy-rich NADP+. The addition of these electrons reduces NADP+ to NADPH + H+. This whole scheme of transfer of electrons, starting from the PS II, uphill to the acceptor, down the electron transport chain to PS I, excitation of electrons, transfer to another acceptor, and finally down hill to NADP+ reducing it to NADPH + H+ is called the Z scheme, due to its characterstic shape (Figure 13.5). This shape is formed when all the carriers are placed in a sequence on a redox potential scale.

Figure 13.5 Z scheme of light reaction

13.6.1 Splitting of Water

You would then ask, How does PS II supply electrons continuously? The electrons that were moved from photosystem II must be replaced. This is achieved by electrons available due to splitting of water. The splitting of water is associated with the PS II; water is split into 2H+, [O] and electrons. This creates oxygen, one of the net products of photosynthesis. The electrons needed to replace those removed from photosystem I are provided by photosystem II.

$2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \longrightarrow 4 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{O}_2+4 \mathrm{e}^{-}$

We need to emphasise here that the water splitting complex is associated with the PS II, which itself is physically located on the inner side of the membrane of the thylakoid. Then, where are the protons and $\mathrm{O_2}$ formed likely to be released - in the lumen? or on the outer side of the membrane?

13.6.2 Cyclic and Non-cyclic Photo-phosphorylation

Living organisms have the capability of extracting energy from oxidisable substances and store this in the form of bond energy. Special substances like ATP, carry this energy in their chemical bonds. The process through which ATP is synthesised by cells (in mitochondria and chloroplasts) is named phosphorylation. Photophosphorylation is the synthesis of ATP from ADP and inorganic phosphate in the presence of light. When the two photosystems work in a series, first PS II and then the PS I, a process called non-cyclic photo-phosphorylation occurs. The two photosystems are connected through an electron transport chain, as seen earlier - in the Z scheme. Both ATP and NADPH + H + are synthesised by this kind of electron flow (Figure 13.5).

Figure 13.6 Cyclic photophosphorylation

When only PS I is functional, the electron is circulated within the photosystem and the phosphorylation occurs due to cyclic flow of electrons (Figure 13.6). A possible location where this could be happening is in the stroma lamellae. While the membrane or lamellae of the grana have both PS I and PS II the stroma lamellae membranes lack PS II as well as NADP reductase enzyme. The excited electron does not pass on to NADP+ but is cycled back to the PS I complex through the electron transport chain (Figure 13.6). The cyclic flow hence, results only in the synthesis of ATP, but not of NADPH + H+. Cyclic photophosphorylation also occurs when only light of wavelengths beyond 680 nm are available for excitation.

13.6.3 Chemiosmotic Hypothesis

Let us now try and understand how actually ATP is synthesised in the chloroplast. The chemiosmotic hypothesis has been put forward to explain the mechanism. Like in respiration, in photosynthesis too, ATP synthesis is linked to development of a proton gradient across a membrane. This time these are the membranes of thylakoid. There is one difference though, here the proton accumulation is towards the inside of the membrane, i.e., in the lumen. In respiration, protons accumulate in the intermembrane space of the mitochondria when electrons move through the ETS (Chapter 14).

Let us understand what causes the proton gradient across the membrane. We need to consider again the processes that take place during the activation of electrons and their transport to determine the steps that cause a proton gradient to develop (Figure 13.7).

(a) Since splitting of the water molecule takes place on the inner side of the membrane, the protons or hydrogen ions that are produced by the splitting of water accumulate within the lumen of the thylakoids.

Figure 13.7 ATP synthesis through chemiosmosis

(b) As electrons move through the photosystems, protons are transported across the membrane. This happens because the primary accepter of electron which is located towards the outer side of the membrane transfers its electron not to an electron carrier but to an H carrier. Hence, this molecule removes a proton from the stroma while transporting an electron. When this molecule passes on its electron to the electron carrier on the inner side of the membrane, the proton is released into the inner side or the lumen side of the membrane.

(c) The NADP reductase enzyme is located on the stroma side of the membrane. Along with electrons that come from the acceptor of electrons of PS I, protons are necessary for the reduction of NADP+ to NADPH+ H⁺. These protons are also removed from the stroma.

Hence, within the chloroplast, protons in the stroma decrease in number, while in the lumen there is accumulation of protons. This creates a proton gradient across the thylakoid membrane as well as a measurable decrease in pH in the lumen.

Why are we so interested in the proton gradient? This gradient is important because it is the breakdown of this gradient that leads to the synthesis of ATP. The gradient is broken down due to the movement of protons across the membrane to the stroma through the transmembrane channel of the CF0 of the ATP synthase. The ATP synthase enzyme consists of two parts: one called the CF0 is embedded in the thylakoid membrane and forms a transmembrane channel that carries out facilitated diffusion of protons across the membrane. The other portion is called CF1 and protrudes on the outer surface of the thylakoid membrane on the side that faces the stroma. The break down of the gradient provides enough energy to cause a conformational change in the CF1 particle of the ATP synthase, which makes the enzyme synthesise several molecules of energy packed ATP.

Chemiosmosis requires a membrane, a proton pump, a proton gradient and ATP synthase. Energy is used to pump protons across a membrane, to create a gradient or a high concentration of protons within the thylakoid lumen. ATP synthase has a channel that allows diffusion of protons back across the membrane; this releases enough energy to activate ATP synthase enzyme that catalyses the formation of ATP.

Along with the NADPH produced by the movement of electrons, the ATP will be used immediately in the biosynthetic reaction taking place in the stroma, responsible for fixing $\mathrm{CO_2}$, and synthesis of sugars.

13.7 WHERE ARE THE ATP AND NADPH USED?

We learnt that the products of light reaction are ATP, NADPH and $\mathrm{O_2}$. Of these $\mathrm{O_2}$ diffuses out of the chloroplast while ATP and NADPH are used to drive the processes leading to the synthesis of food, more accurately, sugars. This is the biosynthetic phase of photosynthesis. This process does not directly depend on the presence of light but is dependent on the products of the light reaction, i.e., ATP and NADPH, besides $\mathrm{CO_2}$ and H2O. You may wonder how this could be verified; it is simple: immediately after light becomes unavailable, the biosynthetic process continues for some time, and then stops. If then, light is made available, the synthesis starts again.

Can we, hence, say that calling the biosynthetic phase as the dark reaction is a misnomer? Discuss this amongst yourselves.

Let us now see how the ATP and NADPH are used in the biosynthetic phase. We saw earlier that $\mathrm{CO_2}$ is combined with H2O to produce (CH2O)n or sugars. It was of interest to scientists to find out how this reaction proceeded, or rather what was the first product formed when $\mathrm{CO_2}$ is taken into a reaction or fixed. Just after world war II, among the several efforts to put radioisotopes to beneficial use, the work of Melvin Calvin is exemplary. The use of radioactive 14C by him in algal photosynthesis studies led to the discovery that the first $\mathrm{CO_2}$ fixation product was a 3-carbon organic acid. He also contributed to working out the complete biosynthetic pathway; hence it was called Calvin cycle after him. The first product identified was 3-phosphoglyceric acid or in short PGA. How many carbon atoms does it have?

Scientists also tried to know whether all plants have PGA as the first product of $\mathrm{CO_2}$ fixation, or whether any other product was formed in other plants. Experiments conducted over a wide range of plants led to the discovery of another group of plants, where the first stable product of $\mathrm{CO_2}$ fixation was again an organic acid, but one which had 4 carbon atoms in it. This acid was identified to be oxaloacetic acid or OAA. Since then $\mathrm{CO_2}$ assimilation during photosynthesis was said to be of two main types: those plants in which the first product of $\mathrm{CO_2}$ fixation is a $C_3$ acid (PGA), i.e., the $C_3$ pathway, and those in which the first product was a $C_4$ acid (OAA), i.e., the $C_4$ pathway. These two groups of plants showed other associated characteristics that we will discuss later.

13.7.1 The Primary Acceptor of $\mathrm{CO_2}$

Let us now ask ourselves a question that was asked by the scientists who were struggling to understand the ‘dark reaction’. How many carbon atoms would a molecule have which after accepting (fixing) $\mathrm{CO_2}$, would have 3 carbons (of PGA)?

The studies very unexpectedly showed that the acceptor molecule was a 5-carbon ketose sugar - ribulose bisphosphate (RuBP). Did any of you think of this possibility? Do not worry; the scientists also took a long time and conducted many experiments to reach this conclusion. They also believed that since the first product was a $\mathrm{C}_3$ acid, the primary acceptor would be a 2-carbon compound; they spent many years trying to identify a 2-carbon compound before they discovered the 5-carbon RuBP.

13.7.2 The Calvin Cycle

Calvin and his co-workers then worked out the whole pathway and showed that the pathway operated in a cyclic manner; the RuBP was regenerated. Let us now see how the Calvin pathway operates and where the sugar is synthesised. Let us at the outset understand very clearly that the Calvin pathway occurs in all photosynthetic plants; it does not matter whether they have $\mathrm{C}_3$ or $C_4$ (or any other) pathways (Figure 13.8). For ease of understanding, the Calvin cycle can be described under three stages: carboxylation, reduction and regeneration.

1. Carboxylation - Carboxylation is the fixation of $\mathrm{CO_2}$ into a stable organic intermediate. Carboxylation is the most crucial step of the Calvin cycle where $\mathrm{CO_2}$ is utilised for the carboxylation of RuBP. This reaction is catalysed by the enzyme RuBP carboxylase which results in the formation of two molecules of 3-PGA. Since this enzyme also has an oxygenation activity it would be more correct to call it RuBP carboxylase-oxygenase or RuBisCO.

Figure 13.8 The Calvin cycle proceeds in three stages : (1) carboxylation, during which $\mathrm{CO_2}$ combines with ribulose-1,5-bisphosphate; (2) reduction, during which carbohydrate is formed at the expense of the photochemically made ATP and NADPH; and (3) regeneration during which the $\mathrm{CO_2}$ acceptor ribulose1,5-bisphosphate is formed again so that the cycle continues

2. Reduction - These are a series of reactions that lead to the formation of glucose. The steps involve utilisation of 2 molecules of ATP for phosphorylation and two of NADPH for reduction per $\mathrm{CO_2}$ molecule fixed. The fixation of six molecules of $\mathrm{CO_2}$ and 6 turns of the cycle are required for the formation of one molecule of glucose from the pathway.

3. Regeneration - Regeneration of the $\mathrm{CO_2}$ acceptor molecule RuBP is crucial if the cycle is to continue uninterrupted. The regeneration steps require one ATP for phosphorylation to form RuBP.

Hence for every $\mathrm{CO_2}$ molecule entering the Calvin cycle, 3 molecules of ATP and 2 of NADPH are required. It is probably to meet this difference in number of ATP and NADPH used in the dark reaction that the cyclic phosphorylation takes place.

To make one molecule of glucose 6 turns of the cycle are required. Work out how many ATP and NADPH molecules will be required to make one molecule of glucose through the Calvin pathway. It might help you to understand all of this if we look at what goes in and what comes out of the Calvin cycle.

In	Out
Six $\mathrm{CO}_2$	One glucose
18 ATP	$18 \mathrm{ADP}$
12 NADPH	12 NADP

13.8 THE $C_4$ PATHWAY

Plants that are adapted to dry tropical regions have the $C_4$ pathway mentioned earlier. Though these plants have the $C_4$ oxaloacetic acid as the first $\mathrm{CO_2}$ fixation product they use the $C_3$ pathway or the Calvin cycle as the main biosynthetic pathway. Then, in what way are they different from $C_3$ plants? This is a question that you may reasonably ask.

$C_4$ plants are special: They have a special type of leaf anatomy, they tolerate higher temperatures, they show a response to high light intensities, they lack a process called photorespiration and have greater productivity of biomass. Let us understand these one by one.

Study vertical sections of leaves, one of a $C_3$ plant and the other of a $C_4$ plant. Do you notice the differences? Do both have the same types of mesophylls? Do they have similar cells around the vascular bundle sheath?

The particularly large cells around the vascular bundles of the $C_4$ plants are called bundle sheath cells, and the leaves which have such anatomy are said to have ‘Kranz’ anatomy. ‘Kranz’ means ‘wreath’ and is a reflection of the arrangement of cells. The bundle sheath cells may form several layers around the vascular bundles; they are characterised by having a large number of chloroplasts, thick walls impervious to gaseous exchange and no intercellular spaces. You may like to cut a section of the leaves of $C_4$ plants - maize or sorghum - to observe the Kranz anatomy and the distribution of mesophyll cells.

It would be interesting for you to collect leaves of diverse species of plants around you and cut vertical sections of the leaves. Observe under the microscope - look for the bundle sheath around the vascular bundles. The presence of the bundle sheath would help you identify the $C_4$ plants.

Now study the pathway shown in Figure 13.9. This pathway that has been named the Hatch and Slack Pathway, is again a cyclic process. Let us study the pathway by listing the steps.

The primary $\mathrm{CO_2}$ acceptor is a 3-carbon molecule phosphoenol pyruvate (PEP) and is present in the mesophyll cells. The enzyme responsible for this fixation is PEP carboxylase or PEPcase. It is important to register that the mesophyll cells lack RuBisCO enzyme. The $C_4$ acid OAA is formed in the mesophyll cells.

It then forms other 4-carbon compounds like malic acid or aspartic acid in the mesophyll cells itself, which are transported to the bundle sheath cells. In the bundle sheath cells these $C_4$ acids are broken down to release $\mathrm{CO_2}$ and a 3-carbon molecule.

The 3-carbon molecule is transported back to the mesophyll where it is converted to PEP again, thus, completing the cycle. The $\mathrm{CO_2}$ released in the bundle sheath cells enters the $C_3$ or the Calvin pathway, a pathway common to all plants. The bundle sheath cells arerich in an enzyme Ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase (RuBisCO), but lack PEPcase. Thus, the basic pathway that results in the formation of the sugars, the Calvin pathway, is common to the $C_3$ and $C_4$ plants.

Figure 13.9 Diagrammatic representation of the Hatch and Slack Pathway

Did you note that the Calvin pathway occurs in all the mesophyll cells of the $C_3$ plants? In the $C_4$ plants it does not take place in the mesophyll cells but does so only in the bundle sheath cells.

13.9 PHOTORESPIRATION

Let us try and understand one more process that creates an important difference between $C_3$ and $C_4$ plants - Photorespiration. To understand photorespiration we have to know a little bit more about the first step of the Calvin pathway - the first $\mathrm{CO_2}$ fixation step. This is the reaction where RuBP combines with $\mathrm{CO_2}$ to form 2 molecules of 3PGA, that is catalysed by RuBisCO.

$\mathrm{RuBP}+\mathrm{CO}_2 \xrightarrow{\mathrm{RuBisCo}} 2 \times 3 \mathrm{PGA}$

RuBisCO that is the most abundant enzyme in the world (Do you wonder why?) is characterised by the fact that its active site can bind to both $\mathrm{CO_2}$ and $\mathrm{O_2}$ - hence the name. Can you think how this could be possible? RuBisCO has a much greater affinity for $\mathrm{CO_2}$ when the $\mathrm{CO_2}$: $\mathrm{O_2}$ is nearly equal. Imagine what would happen if this were not so! This binding is competitive. It is the relative concentration of $\mathrm{O_2}$ and $\mathrm{CO_2}$ that determines which of the two will bind to the enzyme.

In $C_3$ plants some $\mathrm{O_2}$ does bind to RuBisCO, and hence $\mathrm{CO_2}$ fixation is decreased. Here the RuBP instead of being converted to 2 molecules of PGA binds with $\mathrm{O_2}$ to form one molecule of phosphoglycerate and phosphoglycolate (2 Carbon) in a pathway called photorespiration. In the photorespiratory pathway, there is neither synthesis of sugars, nor of ATP. Rather it results in the release of $\mathrm{CO_2}$ with the utilisation of ATP. In the photorespiratory pathway there is no synthesis of ATP or NADPH. The biological function of photorespiration is not known yet.

In $C_4$ plants photorespiration does not occur. This is because they have a mechanism that increases the concentration of $\mathrm{CO_2}$ at the enzyme site. This takes place when the $C_4$ acid from the mesophyll is broken down in the bundle sheath cells to release $\mathrm{CO_2}$ - this results in increasing the intracellular concentration of $\mathrm{CO_2}$. In turn, this ensures that the RuBisCO functions as a carboxylase minimising the oxygenase activity.

Now that you know that the $C_4$ plants lack photorespiration, you probably can understand why productivity and yields are better in these plants. In addition these plants show tolerance to higher temperatures.

Based on the above discussion can you compare plants showing the $C_3$ and the $C_4$ pathway? Use the table format given and fill in the information.

TABLE 11.1 Fill in the Columns 2 and 3 in this table to highlight the differences between $C_3$ and C4 Plants

Characteristics	$\mathrm{C}_4$ Plants	Choose from
Cell type in which the Calvin cycle takes place		Mesophyll/Bundle sheath/both
Cell type in which the initial carboxylation reaction occurs		Mesophyll/Bundle sheath /both
How many cell types does the leaf have that fix $\mathrm{CO}_2$.		Two: Bundle sheath and mesophyll One: Mesophyll Three: Bundle sheath, palisade, spongy mesophyll
Which is the primary $\mathrm{CO}_2$ acceptor		RuBP/PEP/PGA
Number of carbons in the primary $\mathrm{CO}_2$ acceptor		$5 / 4 / 3$
Which is the primary $\mathrm{CO}_2$ fixation product		PGA/OAA/RuBP/PEP
No. of carbons in the primary $\mathrm{CO}_2$ fixation product		$3 / 4 / 5$
Does the plant have RuBisCO?		Yes/No/Not always
Does the plant have PEP Case?		Yes/No/Not always
Which cells in the plant have Rubisco?		Mesophyll/Bundle sheath/none
$\mathrm{CO}_2$ fixation rate under high light conditions		Low/ high/ medium
Whether photorespiration is present at low light intensities	$\checkmark$	High/negligible/sometimes
Whether photorespiration is present at high light intensities		High/negligible/sometimes
Whether photorespiration would be present at low $\mathrm{CO}_2$ concentrations		High/negligible/sometimes
Whether photorespiration would be present at high $\mathrm{CO}_2$ concentrations		High/negligible/sometimes
Temperature optimum		$30-40 \mathrm{C} / 20-25 \mathrm{C} /$ above $40 \mathrm{C}$
Examples		Cut vertical sections of leaves of different plants and observe under the microscope for Kranz anatomy and list them in the appropriate columns.

13.10 FACTORS AFFECTING PHOTOSYNTHESIS

An understanding of the factors that affect photosynthesis is necessary. The rate of photosynthesis is very important in determining the yield of plants including crop plants. Photosynthesis is under the influence of several factors, both internal (plant) and external. The plant factors include the number, size, age and orientation of leaves, mesophyll cells and chloroplasts, internal $\mathrm{CO_2}$ concentration and the amount of chlorophyll. The plant or internal factors are dependent on the genetic predisposition and the growth of the plant.

The external factors would include the availability of sunlight, temperature, $\mathrm{CO_2}$ concentration and water. As a plant photosynthesises, all these factors will simultaneously affect its rate. Hence, though several factors interact and simultaneously affect photosynthesis or $\mathrm{CO_2}$ fixation, usually one factor is the major cause or is the one that limits the rate. Hence, at any point the rate will be determined by the factor available at sub-optimal levels.

When several factors affect any [bio] chemical process, Blackman’s (1905) Law of Limiting Factors comes into effect. This states the following:

If a chemical process is affected by more than one factor, then its rate will be determined by the factor which is nearest to its minimal value: it is the factor which directly affects the process if its quantity is changed.

Figure 13.10 Graph of light intensity on the rate of photosynthesis

For example, despite the presence of a green leaf and optimal light and $\mathrm{CO_2}$ conditions, the plant may not photosynthesise if the temperature is very low. This leaf, if given the optimal temperature, will start photosynthesising.

13.10.1 Light

We need to distinguish between light quality, light intensity and the duration of exposure to light, while discussing light as a factor that affects photosynthesis. There is a linear relationship between incident light and $\mathrm{CO_2}$ fixation rates at low light intensities. At higher light intensities, gradually the rate does not show further increase as other factors become limiting (Figure 13.10). What is interesting to note is that light saturation occurs at 10 per cent of the full sunlight. Hence, except for plants in shade or in dense forests, light is rarely a limiting factor in nature. Increase in incident light beyond a point causes the breakdown of chlorophyll and a decrease in photosynthesis.

13.10.2 Carbon dioxide Concentration

Carbon dioxide is the major limiting factor for photosynthesis. The concentration of $\mathrm{CO_2}$ is very low in the atmosphere (between 0.03 and 0.04 per cent). Increase in concentration upto 0.05 per cent can cause an increase in $\mathrm{CO_2}$ fixation rates; beyond this the levels can become damaging over longer periods.

The $C_3$ and $C_4$ plants respond differently to $\mathrm{CO_2}$ concentrations. At low light conditions neither group responds to high $\mathrm{CO_2}$ conditions. At high light intensities, both $C_3$ and $C_4$ plants show increase in the rates of photosynthesis. What is important to note is that the $C_4$ plants show saturation at about 360 µlL-1 while $C_3$ responds to increased $\mathrm{CO_2}$ concentration and saturation is seen only beyond 450 µlL-1. Thus, current availability of $\mathrm{CO_2}$ levels is limiting to the $C_3$ plants.

The fact that $C_3$ plants respond to higher $\mathrm{CO_2}$ concentration by showing increased rates of photosynthesis leading to higher productivity has been used for some greenhouse crops such as tomatoes and bell pepper. They are allowed to grow in carbon dioxide enriched atmosphere that leads to higher yields.

13.10.3 Temperature

The dark reactions being enzymatic are temperature controlled. Though the light reactions are also temperature sensitive they are affected to a much lesser extent. The $C_4$ plants respond to higher temperatures and show higher rate of photosynthesis while $C_3$ plants have a much lower temperature optimum.

The temperature optimum for photosynthesis of different plants also depends on the habitat that they are adapted to. Tropical plants have a higher temperature optimum than the plants adapted to temperate climates.

13.10.4 Water

Even though water is one of the reactants in the light reaction, the effect of water as a factor is more through its effect on the plant, rather than directly on photosynthesis. Water stress causes the stomata to close hence reducing the $\mathrm{CO_2}$ availability. Besides, water stress also makes leaves wilt, thus, reducing the surface area of the leaves and their metabolic activity as well.

Summary

Green plants make their own food by photosynthesis. During this process carbon dioxide from the atmosphere is taken in by leaves through stomata and used for making carbohydrates, principally glucose and starch. Photosynthesis takes place only in the green parts of the plants, mainly the leaves. Within the leaves, the mesophyll cells have a large number of chloroplasts that are responsible for $\mathrm{CO_2}$ fixation. Within the chloroplasts, the membranes are sites for the light reaction, while the chemosynthetic pathway occurs in the stroma. Photosynthesis has two stages: the light reaction and the carbon fixing reactions. In the light reaction the light energy is absorbed by the pigments present in the antenna, and funnelled to special chlorophyll a molecules called reaction centre chlorophylls. There are two photosystems, PS I and PS II. PS I has a 700 nm absorbing chlorophyll a P700 molecule at its reaction centre, while PS II has a P680 reaction centre that absorbs red light at 680 nm. After absorbing light, electrons are excited and transferred through PS II and PS I and finally to NAD forming NADH. During this process a proton gradient is created across the membrane of the thylakoid. The breakdown of the protons gradient due to movement through the F0 part of the ATPase enzyme releases enough energy for synthesis of ATP. Splitting of water molecules is associated with PS II resulting in the release of $\mathrm{O_2}$, protons and transfer of electrons to PS II.

In the carbon fixation cycle, $\mathrm{CO_2}$ is added by the enzyme, RuBisCO, to a 5carbon compound RuBP that is converted to 2 molecules of 3-carbon PGA. This is then converted to sugar by the Calvin cycle, and the RuBP is regenerated. During this process ATP and NADPH synthesised in the light reaction are utilised. RuBisCO also catalyses a wasteful oxygenation reaction in $C_3$ plants: photorespiration.

Some tropical plants show a special type of photosynthesis called $C_4$ pathway. In these plants the first product of $\mathrm{CO_2}$ fixation that takes place in the mesophyll, is a 4-carbon compound. In the bundle sheath cells the Calvin pathway is carried out for the synthesis of carbohydrates.

Exercises

1. By looking at a plant externally can you tell whether a plant is $C_3$ or $C_4$? Why and how?

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Answer One cannot distinguish whether a plant is $C_3$ or $C_4$ by observing its leaves and other morphological features externally. Unlike $C_3$ plants, the leaves of $C_4$ plants have a special anatomy called $Kranz$ anatomy and this difference can only be observed at the cellular level. For example, although wheat and maize are grasses, wheat is a $C_3$ plant, while maize is a $C_4$ plant.

2. By looking at which internal structure of a plant can you tell whether a plant is $C_3$ or $C_4$? Explain.

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Answer The leaves of $C_4$ plants have a special anatomy called Kranz anatomy. This makes them different from $C_3$ plants. Special cells, known as bundle-sheath cells, surround the vascular bundles. These cells have a large number of chloroplasts. They are thick-walled and have no intercellular spaces. They are also impervious to gaseous exchange. All these anatomical features help prevent photorespiration in $C_4$ plants, thereby increasing their ability to photosynthesise.

3. Even though a very few cells in a $C_4$ plant carry out the biosynthetic - Calvin pathway, yet they are highly productive. Can you discuss why?

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Answer

The productivity of a plant is measured by the rate at which it photosynthesises. The amount of carbon dioxide present in a plant is directly proportional to the rate of photosynthesis. $C_4$ plants have a mechanism for increasing the concentration of carbon dioxide. In $C_4$ plants, the Calvin cycle occurs in the bundle-sheath cells. The $C_4$ compound (malic acid) from the mesophyll cells is broken down in the bundle-sheath cells. As a result, $CO_2$ is released. The increase in $CO_2$ ensures that the enzyme RuBisCo does not act as an oxygenase, but as a carboxylase. This prevents photorespiration and increases the rate of photosynthesis. Thus, $C_4$ plants are highly productive.

4. RuBisCO is an enzyme that acts both as a carboxylase and oxygenase. Why do you think RuBisCO carries out more carboxylation in $C_4$ plants?

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The enzyme RuBisCo is absent from the mesophyll cells of $C_4$ plants. It is present in the bundle-sheath cells surrounding the vascular bundles. In $C_4$ plants, the Calvin cycle occurs in the bundle-sheath cells. The primary $CO_2$ acceptor in the mesophyll cells is phosphoenol pyruvate - a three-carbon compound. It is converted into the fourcarbon compound oxaloacetic acid (OAA). OAA is further converted into malic acid. Malic acid is transported to the bundle-sheath cells, where it undergoes decarboxylation and $CO_2$ fixation occurs by the Calvin cycle. This prevents the enzyme RuBisCo from acting as an oxygenase.

5. Suppose there were plants that had a high concentration of Chlorophyll b, but lacked chlorophyll a, would it carry out photosynthesis? Then why do plants have chlorophyll b and other accessory pigments?

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Answer

Chlorophyll-a molecules act as antenna molecules. They get excited by absorbing light and emit electrons during cyclic and non-cyclic photophosphorylations. They form the reaction centres for both photosystems I and II. Chlorophyll-b and other photosynthetic pigments such as carotenoids and xanthophylls act as accessory pigments. Their role is to absorb energy and transfer it to chlorophyll-a. Carotenoids and xanthophylls also protect the chlorophyll molecule from photo-oxidation. Therefore, chlorophyll-a is essential for photosynthesis.

If any plant were to lack chlorophyll-a and contain a high concentration of chlorophyll- $b$, then this plant would not undergo photosynthesis.

6. Why is the colour of a leaf kept in the dark frequently yellow, or pale green? Which pigment do you think is more stable?

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Answer

Since leaves require light to perform photosynthesis, the colour of a leaf kept in the dark changes from a darker to a lighter shade of green. Sometimes, it also turns yellow. The production of the chlorophyll pigment essential for photosynthesis is directly proportional to the amount of light available. In the absence of light, the production of chlorophyll-a molecules stops and they get broken slowly. This changes the colour of the leaf gradually to light green. During this process, the xanthophyll and carotenoid pigments become predominant, causing the leaf to become yellow. These pigments are more stable as light is not essential for their production. They are always present in plants.

7. Look at leaves of the same plant on the shady side and compare it with the leaves on the sunny side. Or, compare the potted plants kept in the sunlight with those in the shade. Which of them has leaves that are darker green ? Why?

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Answer

Light is a limiting factor for photosynthesis. Leaves get lesser light for photosynthesis when they are in shade. Therefore, the leaves or plants in shade perform lesser photosynthesis as compared to the leaves or plants kept in sunlight.

In order to increase the rate of photosynthesis, the leaves present in shade have more chlorophyll pigments. This increase in chlorophyll content increases the amount of light absorbed by the leaves, which in turn increases the rate of photosynthesis. Therefore, the leaves or plants in shade are greener than the leaves or plants kept in the sun.

8. Figure 13.10 shows the effect of light on the rate of photosynthesis. Based on the graph, answer the following questions:

(a) At which point/s (A, B or C) in the curve is light a limiting factor?

(b) What could be the limiting factor/s in region A?

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Answer

(a) Generally, light is not a limiting factor. It becomes a limiting factor for plants growing in shade or under tree canopies. In the given graph, light is a limiting factor at the point where photosynthesis is the minimum. The least value for photosynthesis is in region $\mathbf{A}$. Hence, light is a limiting factor in this region.

(b) Light is a limiting factor in region A. Water, temperature, and the concentration of carbon dioxide could also be limiting factors in this region.

(c) Point $\mathbf{D}$ represents the optimum point and gives the light intensity at which the maximum photosynthesis is recorded. The rate of photosynthesis remains constant after this point, even though the intensity of light increases in region $\mathbf{C}$.

9. Give comparison between the following:

(a) $C_3$ and $C_4$ pathways

(b) Cyclic and non-cyclic photophosphorylation

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Answer

(a) $C_3$ and $C_4$ pathways

$C_3$ pathways	$C_4$ pathways
1. The primary acceptor of $CO_2$ is $RUBP$ is a five-carbon compound.	1. The primary acceptor of $CO_2$ is phosphoenol pyruvate is a three-carbon compound.
2. The first stable product is 3-phosphoglycerate.	2. The first stable product is oxaloacetic acid.
3. It occurs only in the mesophyll cells of the leaves.	3. It occurs in the mesophyll and bundle-sheath cells of the leaves.
4. It is a slower process of carbon fixation and photo-respiratory losses are high.	4. It is a faster process of carbon fixation and photo-respiratory losses are low.

(b) Cyclic and non-cyclic photophosphorylations

Cyclic photophosphorylation	Non-cyclic photophosphorylation
1. It occurs only in photosystem I.	1. It occurs in photosystems I and II.
2. It involves only the synthesis of ATP.	2. It involves the synthesis of ATP and $NADPH_2$.
3. In this process, photolysis of water does not occur.	3. In this process, photolysis of water takes place and oxygen is liberated.
4. In this process, electrons move in a closed circle.	4. In this process, electrons do not move in a closed circle.

$C_3$ leaves	$C_4$ leaves
1. Bundle-sheath cells are absent	1. Bundle-sheath cells are present
2. RuBisCo is present in the mesophyll cells.	2. RuBisCo is present in the bundle-sheath cells.
3. The first stable compound produced is 3- phosphoglycerate is a three-carbon compound.	3. The first stable compound produced is oxaloacetic acid is a four-carbon compound.
4. Photorespireation occurs	4. Photorepiration does not occur

सभी प्राणी, यहाँ तक कि मानव भी आहार के लिए पौधों पर निर्भर हैं। क्या आपने कभी सोचा है कि पौधे अपना आहार कहाँ से प्राप्त करते हैं? वास्तव में, हरे पौधे अपना आहार संश्लेषित करते हैं तथा अन्य सभी जीव अपनी आवश्यकता के लिए उन पर निर्भर रहते हैं। हरे पौधे अपने लिए आवश्यक भोजन का निर्माण अथवा संश्लेषण ‘प्रकाश-संश्लेषण’ द्वारा करते हैं। अतः वे स्वपोषी कहलाते हैं। आप पहले ही पढ़ चुके हैं कि स्वपोषी संश्लेषण केवल पौधों में ही पाया जाता है तथा अन्य सभी जीव जो अपने भोजन के लिए पौधों पर निर्भर करते हैं, विषमपोषी कहलाते हैं। यह एक ऐसी भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया है, जसमें कार्बनिक यौगिकों को संश्लेषित करने के लिए प्रकाश-ऊर्जा का उपयोग करते हैं। अंतः कुल मिलाकर पृथ्वी पर रहने वाले सारे जीव ऊर्जा के लिए सूर्य के प्रकाश पर निर्भर करते हैं। पौधों द्वारा प्रकाश-संश्लेषण में उपयोग की गई सूर्य-ऊर्जा पृथ्वी पर जीवन का आधार है। प्रकाश-संश्लेषण के महत्वपूर्ण होने के दो कारण हैं: यह पृथ्वी पर समस्त खाद्य पदार्थों का प्राथमिक स्रोत है तथा यह वायुमंडल में ऑक्सीजन छोड़ता है। क्या आपने कभी सोचा है कि यदि साँस लेने के लिए ऑक्सीजन न हो, तो क्या होगा? इस अध्याय में प्रकाश-संश्लेषी (मशीनरी) तथा विभिन्न प्रतिक्रियाओं के विषय में बताया जाएगा जो प्रकाश-ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में रूपांतरित करती है।

11.1 हम क्या जानते हैं?

आइए, पहले यह पता करें कि हम प्रकाश-संश्लेषण के विषय में क्या जानते हैं। पिछली कक्षाओं में आपने कुछ सरल प्रयोग किए होंगे। जिनसे पता लगा होगा कि क्लोरोफिल (पत्तियों का हरा वर्णक), प्रकाश तथा कार्बनडाइऑक्साइड $\left(\mathrm{CO} _{2}\right)$ प्रकाश-संश्लेषण के लिए आवश्यक है।

आपने शायद शबलित (वेरीगेट) पत्तियों अथवा उस पत्ती में जिसे आंशिक रूप से काले कागज से ढक दिया हो और प्रकाश में रखा हो, जिससे स्टार्च (मंड) बनाने का प्रयोग को किया होगा। स्टार्च के लिए इन पत्तियों के परीक्षण से यह बात प्रकट होती है कि प्रकाश-संश्लेषण क्रिया सूर्य के प्रकाश में पेड़ के केवल हरे भाग में संपन्न होती है।

आपने एक अन्य प्रयोग आधी पत्ती से किया होगा जिसमें एक पत्ती का आंशिक भाग परखनली के अंदर रखा होगा और इसमें $\mathrm{KOH}$ से भीगी हुई रूई भी रखी होगी $\left(\mathrm{KOH} \mathrm{CO}{ } _{2}\right.$ को अवशोषित करता है) जबकि शेष भाग को प्रकाश में रहने दिया होगा। इसके बाद इस उपकरण को कुछ समय के लिए धूप में रखा जाता है। कुछ समय के बाद आप स्टार्च के लिए पत्ती का परीक्षण करते हों। इस परीक्षण से आपको पता लगा कि पत्ती का जो भाग परखनली में था, उसने स्टार्च की पुष्टि नहीं की और जो भाग प्रकाश में था, उसने स्टार्च की पुष्टि की। इस प्रयोग से यह सिद्ध होता है कि प्रकाश-संश्लेषण के लिए कार्बनडाइऑक्साइड $\left(\mathrm{CO} _{2}\right)$ आवश्यक है। क्या आप इसका वर्णन कर सकते हो कि ऐसा निष्कर्ष किस प्रकार निकाला जा सकता है?

11.2 प्रारंभिक प्रयोग

उन साधारण प्रयोगों के विषय में जानना काफी रुचिकर होगा जिनसे प्रकाशसंश्लेषण की प्रक्रिया क्रमिक विकसित हुई है।

चित्र 11.1 प्रीस्टले का प्रयोग

जोसेफ प्रीस्टले (1733-1804) ने 1770 में बहुत से प्रयोग किए जिनसे पता लगा कि हरे पौधों की वृद्धि में हवा की एक अनिवार्य भूमिका है। आप को याद होगा कि प्रीस्टले ने 1774 में ऑक्सीजन की खोज की थी। प्रीस्टले ने देखा कि एक बंद स्थान-जैसे कि एक बेलजार में जलने वाली मोमबत्ती जल्दी ही बुझ जाती है (चित्र 11.1 अ,ब,स,द)। इसी प्रकार किसी चूहे का सीमित स्थान में जल्दी ही दम घुट जाएगा। इन अवलोकनों के आधार पर उन्होंने यह निष्कर्ष निकाला कि चाहे जलती मोमबत्ती हो अथवा कोई प्राणी जो वायु से साँस लेते हैं, वे हवा को क्षति पहुँचाते हैं। लेकिन जब उसने उसी बेल जार में एक पुदीने का पौधा रखा तो उसने पाया कि चूहा जीवित रहा और मोमबत्ती भी सतत जलती रही। इस आधार पर प्रीस्टले ने निम्न परिकल्पना की: “पौधे उस वायु की क्षतिपूर्ति करते हैं, जिन्हें साँस लेने वाले प्राणी और जलती हुई मोमबत्ती कम कर देती है।”

क्या आप कल्पना कर सकते हैं कि प्रीस्टले ने प्रयोग करने के लिए एक मोमबत्ती एवं पौधे का उपयोग कैसे किया होगा? याद रखें कि उसे मोमबत्ती को कुछ दिनों बाद पुनः जलाने की आवश्यकता होगी ताकि यह पता कर सके कि कुछ दिनों बाद वह जलेगी अथवा नहीं। सेटअप को बिना बाधित किए आप मोमबत्ती को जलाने के लिए कितनी विधियों के बारे में सोच सकते हो?

जॉन इंजेनहाउज (1730-1799) ने प्रीस्टले द्वारा निर्मित जैसे सेटअप का उपयोग किया जिसमें उसने उसे एक बार अंधेरे में और फिर एक बार सूर्य की रोशनी में रखा। इससे यह पता लगा कि पौधों की इस प्रक्रिया में सूर्य का प्रकाश अनिवार्य है। यह जलती हुई मोमबत्ती या सांस लेने वाले प्राणियों द्वारा खराब हुई वायु को शुद्ध बनाता है। इंजेनहाउज ने अपने एक परिष्कृत प्रयोग में एक जलीय पौधे के साथ यह दिखाया कि तेज धुप में पौधे के हरे भाग के आस-पास छोटे-छोटे बुलबुले बन गए थे, जबकि अंधेरे में रखे गए पौधे के आस-पास बुलबुले नहीं बने थे। बाद में उसने इन बुलबुलों की पहचान ऑक्सीजन के रूप में की थी। अतः उसने यह दिखा दिया कि पौधे का केवल हरा भाग ही ऑक्सीजन को छोड़ सकता है।

1854 से पहले तक इसकी जानकारी नहीं थी, किंतु जूलियस वोन सैचस् ने यह प्रमाण दिया कि जब पौधा वृद्धि करता है तब ग्लूकोज (शर्करा) बनती है। ग्लूकोज प्राय: स्टार्च के रूप में संचित होता है। उसके बाद के अध्ययनों से यह पता लगा कि पौधे का हरा पदार्थ-जिसे क्लोरोफिल कहते हैं। पौधों की कोशिकाओं में स्थित विशिष्ट भाग (जिसे क्लोरोप्लास्क कहते हैं) में होता है। उसने बताया कि पौधों के हरे भाग में ग्लूकोज बनाता है और ग्लूकोज प्रायः स्टार्च के रूप में संचित होता है।

अब आप टी.डब्ल्यू एंजिलमैन (1843-1909) द्वारा किए गए रोचक प्रयोग पर ध्यान दें। उसने प्रिज्म की सहायता से प्रकाश को स्पेक्ट्रमी घटकों में अलग किया और और फिर एक हरे शैवाल क्लैडोफोरा को जिसे ऑक्सी बैक्टीरिया के निलंबन में रखा गया था, को प्रदीप्त किया गया। बैक्टीरिया का उपयोग ऑक्सीजन निकलने का केंद्र पता लगाने के लिए था। उसने पाया कि बैक्टीरिया प्रमुखतः लाल एवं नीले प्रकाश क्षेत्रों में एकत्र हो गए थे। इस तरह से प्रकाश-संश्लेषण का पहला सक्रिय स्पेक्ट्रम (एक्शन स्पेक्ट्रम) वर्णित किया गया। यह मोटे तौर पर क्लोरोफिल ’ $a$ ’ एवं ’ $b$ ’ के अवशोषण स्पेक्ट्रा से मेल खाता है (11.4 खंड में इसका वर्णन किया गया है)।

उन्नीसवीं सदी के मध्य तक पादप प्रकाश-संश्लेषण की सभी मुख्य विशिष्टताओं के बारे में पता चल चुका था। जैसे कि, पौधे $\mathrm{CO}_{2}$ तथा पानी से प्रकाश ऊर्जा का उपयोग कर कार्बोहाइड्रेट्स बनाते हैं। ऑक्सीजन उत्पन्न करने वाले जीवों में प्रकाश-संश्लेषण की कुल प्रतिक्रिया को आनुभविक समीकरण द्वारा प्रस्तुत किया गया।

$$ \mathrm{CO} _{2}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { प्रकाश }}\left[\mathrm{CH} _{2} \mathrm{O}\right]+\mathrm{O} _{2} $$

जहाँ पर $\left(\mathrm{CH} _{2} \mathrm{O}\right)$ एक कार्बोहाइड्रेट (जैसे ग्लूकोज- एक छह (6) कार्बन शुगर) का प्रतिनिधित्व करता है।

एक सूक्ष्मजीव विज्ञानी कोर्नेलियस वैन नील (1897-1985) के प्रयोग ने प्रकाश-संश्लेषण को समझने में मील के पत्थर का काम किया। उसका अध्ययन बैंगनी (पर्पल) एवं हरे बैक्टीरिया पर आधारित था। उन्होंने बताया कि प्रकाश-संश्लेषण एक प्रकाश आधारित प्रतिक्रिया है जिसमें ऑक्सीकरणीय यौगिक से प्राप्त हाइड्रोजन कार्बनडाइऑक्साइड को अपचयित करके कार्बोहाइड्रेट बनाते हैं। इसे निम्नलिखित रूप से व्यक्त किया जा सकता है:

$$ 2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{~A}+\mathrm{CO} _{2} \xrightarrow{\text { प्रकाश }} 2 \mathrm{~A}+\mathrm{CH} _{2} \mathrm{O}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} $$

हरे पौधों में $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ हाइड्रोजन दाता है और ऑक्सीकृत होकर $\mathrm{O} _{2}$ देता है। कुछ जीव प्रकाश-संश्लेषण के दौरान $\mathrm{O} _{2}$ मुक्त नहीं करते हैं जब $\mathrm{H} _{2} \mathrm{~S}$ बैंगनी एवं हरे बैक्टीरिया के लिए हाइड्रोजन दाता होता है तो ‘ऑक्सीकरण’ उत्पाद जीवों के अनुसार सल्फर अथवा सल्फेट होता है न कि ऑक्सीजन। इससे उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि हरे पौधों द्वारा निकाली गई ऑक्सीजन $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ से आती है, न कि कार्बनडाइऑक्साइड से। बाद में यह बात रेडियो आइसोटोपिक तकनीक के उपयोग से सही प्रमाणित हुई। इसलिए कुल प्रकाश-संश्लेषण को प्रस्तुत करने वाला सही समीकरण निम्न है:

$$ 6 \mathrm{CO} _{2}+12 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { प्रकाश }} \mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{12} \mathrm{O} _{6}+6 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}+6 \mathrm{O} _{2} $$

यहाँ पर $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{12} \mathrm{O} _{6}$ ग्लूकोज का प्रतिनिधित्व करता है। जल से निकलने वाली $\mathrm{O} _{2}$ को रेडियो आइसोटोपिक तकनीक से सिद्ध किया जा चुका है। यह एक एकल क्रिया नहीं है, बल्कि बहुचरणी प्रक्रम का वर्णन है जिसे प्रकाश-संश्लेषण कहते हैं। क्या आप यह वर्णन करेंगे कि उपरोक्त समीकरण में जल के 12 अणुओं का क्रियाधार के रूप में क्यों प्रयोग किया गया है?

11.3 प्रकाश-संश्लेषण कहाँ संपन्न होता है?

अध्याय 8 में पढ़ने के बाद निश्चित ही आपका उत्तर होगा: हरी पत्तियों में अथवा आप कह सकते हैं क्लोरोप्लास्ट में, निश्चित ही आपका उत्तर सही है। प्रकाश-संश्लेषण क्रिया हरी पत्तियों में तो संपादित होती ही है लेकिन यह पौधों के अन्य सभी हरे भागों में भी होती है। क्या आप पौधे के कुछ अन्य भागों के नाम बता सकते हैं, जहाँ प्रकाश-संश्लेषण संपादित हो सकता है?

आपने पिछली इकाई में पढ़ा होगा कि पत्तियों में मेसोफिल कोशिकाएं होती हैं। जिनमें अत्यधिक मात्रा में क्लोरोप्लास्ट होते हैं। सामान्यतः क्लोरोप्लास्ट मेसोफिल कोशिकाओं की भित्ति के साथ पंक्तिबद्ध होता है जिससे कि वे ईष्टतम मात्रा में आपतित प्रकाश प्राप्त कर सकें। आपके विचार से हरित लवक कब अपने सपाट पटल भित्ति के समानांतर पंक्तिबद्ध होते हैं? वे आपतित सूर्य के प्रकाश से कब लंबित होते होंगे?

चित्र 11.2 इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के द्वारा दिखाया गया हरित लवक की काट का आरेख प्रस्तुतीकरण

आपने अध्याय 8 में क्लोरोप्लास्ट की संरचना के बारे में पढ़ा है। क्लोरोप्लास्ट में एक झिल्ली तंत्र होता है जिसमें ग्रैना, स्ट्रोमा लैमेले और स्ट्रोमा तरल होता है (चित्र 11.2)। क्लोरोप्लास्ट में सुस्पष्ट श्रम विभाजन होता है। झिल्ली तंत्र प्रकाश-ऊर्जा को ग्रहण करता है और एटीपी एवं एनएडीपीएच का संश्लेषण करता है। स्ट्रोमा में एंजाइमैटिक प्रतिक्रिया होती है जो शर्करा का संश्लेषण करता है जो बाद में स्टार्च में परिवर्तित हो जाता है। पहली वाली प्रतिक्रिया को प्रकाश अभिक्रिया (प्रकाश रासायनिक अभिक्रिया) कहा जाता है, चूँकि यह पूर्णतः प्रकाश पर आधारित है। दूसरी प्रतिक्रिया प्रकाश अभिक्रिया के उत्पाद पर निर्भर होती है अर्थात् एटीपी तथा एनएडीपीएच, जो सैद्धांतिक रूप में अंधेरे में संपन्न होती हैं अतः इसे अप्रकाशी अभिक्रिया (कार्बन अभिक्रिया) कहते हैं। (इसके विषय का विस्तृत अध्ययन बाद में इसी अध्याय में किया जाएगा)

11.4 प्रकाश-संश्लेषण में कितने प्रकार के वर्णक भाग लेते हैं?

जब आप किसी पौधे को देख रहे होते हैं तो क्या कभी आश्चर्य हुआ है कि उसी पौधे में पत्तियों के हरे रंग में सूक्ष्म अंतर क्यों और कैसे है? हम इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए किसी भी हरे पादप के पर्णवर्णकों को पेपर क्रोमेटोग्राफी (कागज वर्णलेखिकी) द्वारा अलग कर सकते हैं। क्रोमेटोग्राफी से पता लगता है कि पत्तियों में स्थित वर्णक के कारण जो हरापन दिखाई देता है, वह किसी एक वर्णक के कारण नहीं, बल्कि चार वर्णकों: क्लोरोफिल ए (क्रोमेटोग्राफी में चमकीला अथवा नीला हरा), क्लोरोफिल बी (पीला हरा), जैन्थोफिल (पीला) तथा कारटीनोएड (पीले से नारंगी पीले) के कारण होता है। आइए, अब देखें कि प्रकाश-संश्लेषण में विभिन्न वर्णकों की क्या भूमिका है।

वर्णक वे पदार्थ हैं जिनमें प्रकाश की विशिष्ट तरंगदैर्घ्यों को अवशोषित करने की क्षमता होती है। क्या आप अनुमान लगा सकते हैं कि विश्व में कौन सा पादप वर्णक सर्वाधिक है? आइए, अब क्लोरोफिल ए वर्णक को ग्राफ में विभिन्न तरंगदैर्ध्यता में प्रकाश अवशोषण का अध्ययन

चित्र 11.3 अ को देखकर क्या आप बता सकते हैं कि किस तरंगदैर्ध्य पर क्लोरोफिल ‘ए’ अधिकतम अवशोषण करेगा? क्या यह किसी अन्य तरंगदैर्ध्यता पर कोई अन्य अवशोषण चोटी दिखाते हैं? यदि हाँ तो वे कौन हैं?

अब आप चित्र 11.3 (ब) को देखें जिसमें उन तरंगदैर्ध्यों को दिखाया गया है, जहाँ पर पादप में अधिकतम प्रकाश-संश्लेषण होता है। क्या आप देख रहे हैं कि तरंगदैर्घ्य क्लोरोफिल ‘ए’ अर्थात् नीला तथा लाल क्षेत्र में अवशोषण करता है, उस क्षेत्र में प्रकाश-संश्लेषण की दर भी अधिकतम है। अतः हम कह सकते हैं कि क्लोरोफिल ‘ए’ प्रकाश-संश्लेषण के लिए एक प्रमुख वर्णक है लेकिन चित्र 11.3(स) देखने पर क्या आप कह सकते हैं कि क्लोरोफिल ‘ए’ के अवशोषण स्पेक्ट्रम तथा प्रकाश-संश्लेषण के क्रियात्मक स्पेक्ट्रम के बीच पूर्णतः परस्पर ब्यापन है?करें (चित्र 11.3. अ)। आप स्पष्टतः प्रकाश के दृश्य स्पेक्ट्रम की तरंगदैर्ध्यता एवं विबग्योर (vibgyor) से परिचित हैं।

चित्र 11.3.अ क्लोरोफिल ए,बी तथा केरोटेनोइड्स का अवशोषित वर्णक्रम प्रदर्शित करता हुआ ग्राफ

चित्र 11.3.ब प्रकाश-संश्लेषण क्रियात्मक वर्णक्रम प्रदर्शित करता हुआ ग्राफ

चित्र 11.3.स क्लोरोफिल ए के अवशोषित वर्णक्रम पर प्रकाश-संश्लेषण के क्रियात्मक वर्णक्रम का अध्यारोपित दृश्य का ग्राफ

ये ग्राफ, एक साथ यह बता रहे हैं कि अधिकतम प्रकाश-संश्लेषण स्पेक्ट्रम के नीले एवं लाल क्षेत्र में संपन्न होती है, और कुछ प्रकाश-संश्लेषण स्पेक्ट्रम की अन्य तंरगदैर्ध्यों पर भी संपन्न होती है। आइए, देखें कि यह कैसे होता है। यद्यपि क्लोरोफिल ’ $ए$ ’ प्रकाश को अवशोषित करने का मुख्य वर्णक है, फिर भी अन्य थाइलेकोइड में वर्णक जैसे क्लोरोफिल बी, जैन्थोफिल तथा केरोटिन, जिन्हें सहायक वर्णक कहते हैं, वे प्रकाश को अवशोषित करते हैं तथा अवशोषित ऊर्जा को क्लोरोफिल ए में स्थानांतरित कर देते हैं। वास्तव में ये वर्णक न केवल प्रकाश-संश्लेषण को प्रेरित करने वाली उपयोगी तरंगदैर्ध्य के क्षेत्र को बढ़ाते हैं बल्कि ये क्लोरोफिल ‘ए’ को फोटोऑक्सीडेसन से भी बचाते हैं।

11.5 प्रकाश अभिक्रिया क्या है?

प्रकाश अभिक्रिया अथवा ‘प्रकाशरसायन’ चरण में प्रकाश अवशोषण, जल विघटन, ऑक्सीजन निष्कर्षण तथा उच्च-ऊर्जा रसायन माध्यमिकों, जैसे एटीपी तथा एनएडीपीएच का निर्माण शामिल है। इस प्रक्रिया में अनेक प्रोटीन कॉम्पलेक्स सम्मिलित होते हैं। यहाँ वर्णक दो सुस्पष्ट प्रकाश रसायन लाइट हार्वेस्टिंग कॉम्पलेक्स (एलएचसी) जिन्हें फोटोसिस्टम I (पीएस I) तथा फोटोसिस्टम II ( पीएस II) कहते हैं - में गठित होता है। इन्हें खोज के क्रम में ये नाम दिए गए हैं न कि प्रकाश अभिक्रिया के दौरान उनके काम करने के अनुक्रम में। एलएचसी प्रोटीन से आबद्ध हजारों वर्णक अणुओं से बने होते हैं। प्रत्येक फोटोसिस्टम में सभी वर्णक होते हैं, (सिवाय क्लोरोफिल ‘ए’ के एक अणु के) तथा एलएचसी का निर्माण करते हैं जिन्हें ऐन्टेनी कहते हैं (चित्र 11.4)। ये वर्णक विभिन्न तंरगदैर्यों के प्रकाश को अवशोषित कर प्रकाश-संश्लेषण को अधिक दक्ष बनाते हैं। क्लोरोफिल ’ $ए$ ’ का एक अकेला अणु अभिक्रिया केंद्र बनाना है। दोनों फोटोसिस्टम में प्रतिक्रिया केंद्र पृथक् होते हैं। पीएस I में अभिक्रिया केंद्र क्लोरोफिल ‘ए’ का अवशोषण शीर्ष 700 एनएम $(\mathrm{nm})$ पर होता है अतः इसे पी 700 कहते हैं। पीएस II में अवशोषण शीर्ष 680 एनएम $(\mathrm{nm})$ पर होता है अतः इसे पी 680 कहते हैं।

चित्र 11.4 प्रकाश संग्रहण तंतुजाल

11.6 इलेक्ट्रॉन परिवहन

फोटोसिस्टम II में अभिक्रिया केंद्र में मौजूद क्लोरोफिल ‘ए’ 680 एनएम वाले लाल प्रकाश को अवशोषित करता है, जिससे इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होकर परमाणु नाभिक से दूर चला जाता है। इसे इलेक्ट्रॉन को एक इलेक्ट्रॉन ग्राही ले लेता है और इन्हें इलेक्ट्रॉन्स ट्रांसपोर्ट सिस्टम जिसमें साइटोक्रोम होते हैं, पहुँचा दिया जाता है (चित्र 11.5)। इलेक्ट्रॉन की यह गतिविधि अधोगामी है जो अपचयोपचय विभव मापन (रिडैक्स पोटेंशियल स्केल) के रूप में है। जब इलेक्ट्रॉन्स परिवहन शृंखला से इलेक्ट्रॉन्स गुजरते हैं तब उनका उपयोग नहीं होता बल्कि उन्हें फोटोसिस्टम पीएस I के वर्णकों को दे दिया जाता है। इसके साथ ही साथ, पीएस I का अभिक्रिया केंद्र के इलेक्ट्रॉन भी लाल प्रकाश की 700 एनएम तरंगदैर्ध्य को अवशोषित कर उत्तेजित होता है और यह अन्य ग्राही अणु में जिसका अपचयोपचय (रिडौक्स) विभव अधिक हो, स्थानांतरित होता है। ये इलेक्ट्रॉन्स पुनः अधोगामी गति करते हैं, परंतु इस बार वे ऊर्जा से प्रचुर एनएडीपी ${ }^{+}$अणु की ओर जाते हैं। ये इलेक्ट्रॉन्स एनएडीपी ${ }^{+}$को अपचयित कर एनएडीपीएच + $\mathrm{H}^{+}$को बनाते हैं। इलेक्ट्रॉन के स्थानांतरण की यह सारी योजना पीएस II से शुरू होकर शिखरोपरिग्राही की ओर, इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से होते हुए पीएस $I$ तक, इलेक्ट्रॉन की उत्तेजना, अन्य ग्राही में स्थानांतरण और अंतः में अधोगामी होकर एनएडीपी को अपचयित कर एनएडीपीएच $+\mathrm{H}^{+}$के बनने तक होती हैं। यह सारी योजना $\mathrm{Z}$ के आकार की होती है, इसलिए इसे $\mathbf{Z}$ स्कीम कहते हैं (चित्र 11.5)।यह आकृति तब बनती है जब सभी वाहक क्रमानुसार एक अपचयोपचय विभव माप पर हों।

चित्र 11.5 प्रकाश अभिक्रिया की $Z$ - स्कीम

11.6.1 जल का विघटन

अब आप पूछेंगे कि पीएस II कैसे इलेक्ट्रॉन की आपूर्ति निरंतर करता है? वे इलेक्ट्रॉन जो फोटोसिस्टम II में निकलते हैं, उनकी जगह निश्चित ही दूसरों को लेनी चाहिए। जल विघटन का संबंध पीएस $\mathrm{II}$ से है। जल $\mathrm{H}^{+},[\mathrm{O}]$ तथा इलेक्ट्रॉन में विघटित होता है। इससे ऑक्सीजन उत्पन्न होती है, जो प्रकाश-संश्लेषण का एक शुद्ध उत्पाद है। फोटोसिस्टम I से निकलने वाले इलेक्ट्रॉन, फोटोसिस्टम II से उपलब्ध कराए जाते हैं।

$$ 2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \longrightarrow 4 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{O} _{2}+4 \mathrm{e}^{-} $$

हमें यह अच्छी प्रकार जान लेना चाहिए कि जल विघटन पीएस II से संबंधित है जो थाइलेकोइड की झिल्ली की भीतरी ओर होता है। तब इस दौरान बनने वाले प्रोटोन्स एवं $\mathrm{O}_{2}$ कहां मुक्त होते हैं- अवकाशिका (ल्युमेन)में अथवा झिल्लिका के बाहर की ओर?

11.6.2 चक्रीय एवं अचक्रीय फोटो-फोस्फोरीलेशन

जीवों में ऑक्सीकरणीय पदार्थो से ऊर्जा निकालने तथा उसे बंध -ऊर्जा के रूप में संचय करने की क्षमता होती है। विशेष पदार्थ जैसे एटीपी, इस ऊर्जा को अपने रासायनिक बंध में संजोये रखती हैं। कोशिकाओं द्वारा (माइटोकोंड्रिया तथा क्लोरोप्लास्ट में) एटीपी के संश्लेषण की प्रक्रिया को फोस्फोरीलेशन कहते हैं। फोटो-फोस्फोरीलेशन वह प्रक्रिया है जिसमें प्रकाश की उपस्थिति में एडीपी तथा अकार्बनिक फोस्फेट से एटीपी का संश्लेषण होता है। जब दो फोटोसिस्टम क्रमिक कार्य करते हैं जिसमें पीएस II पहले और पीएस I दूसरे क्रम में कार्य करें तो इस प्रक्रिया को अचक्रीय फोटो-फॉस्फोरीलेशन कहते हैं। ये दोनों फोटोसिस्टम एक इलेक्ट्रॉन परिवहन भृंखला से जुड़े होते हैं जैसे कि पहले $Z$ स्कीम में देख चुके हैं। एटीपी तथा एनएडीपीएच $+\mathrm{H}+$ दोनों ही इस प्रकार के इलेक्ट्रॉन प्रवाह द्वारा संश्लेषित होते हैं (चित्र 11.5)।

चित्र 11.6 प्रकाश अभिक्रिया की $Z$ - स्कीम

जब केवल पीएस I क्रियाशील होता है, तब इलेक्ट्रॉन फोटोसिस्टम में ही घूमता रहता है और फोस्फोरीलेशन इलेक्ट्रॉन चक्रीय प्रवाह के कारण होता है (चित्र 11.6)। यह प्रवाह संभवतः स्ट्रोमा लैमिली में होती है। ग्राना की झिल्ली अथवा लैमिला में पीएस I एवं पीएस II, दोनों ही होते हैं, जबकि स्ट्रोमा लैमिली झिल्लियों में पीएस II एवं एनएडीपी रिडक्टेस एंजाइम नहीं होते हैं। उत्तेजित इलेक्ट्रॉन एनएडीपी+ में पारित नहीं होता, बल्कि वापस पीएस I कॉम्पलेक्स में इलेक्ट्रॉन प्रवाह भृंखला द्वारा चक्रित होता रहता है (चित्र 11.6)। अतः चक्रीय प्रवाह में केवल एटीपी का संश्लेषण होता है न कि एनएडीपीएच + एच $^{+}$का। चक्रीय फोटो-फॉस्फोरीलेशन तभी होता है जब उत्तेजना के लिए प्रकाश का तरंगदैर्ध्य $680 \mathrm{~nm}$ से अधिक हो।

11.6.3 रसोपरासरणी परिकल्पना ( केमिओस्मोटिक हाइपोथेसिस )

आइए, अब हम यह समझने का प्रयत्न करें कि क्लोरोप्लास्ट में एटीपी कैसे संश्लेषित होता है? इस प्रक्रम का वर्णन रसोपरासरणी परिकल्पना द्वारा कर सकते हैं। श्वसन की भाँति ही प्रकाश-संश्लेषण में भी, एटीपी का संश्लेषण एक झिल्लिका के आर-पार प्रोटोन प्रवणता के कारण होता है। यहाँ पर ये झिल्लिकाएं थाइलेकोइड की होती हैं। यहाँ पर एक अंतर यह है कि प्रोटोन झिल्लिका के अंदर की ओर अर्थात् अवकोशिका (ल्यूमेन) में संचित होता है। श्वसन में प्रोटोन माइटोकांड्रिया की अंतरा झिल्ली अवकोशिका में संचित होती है, जब इलेक्ट्रॉन इटीएस (अध्याय 12) से गुजरते हैं।

आइए, यह समझें कि किन कारणों से प्रोटोन प्रवणता झिल्लिका के आर-पार होती है? हमें पुनः उन प्रक्रियाओं पर ध्यान देना होगा जो इलेक्ट्रॉन के सक्रियता और उनके परिवहन के समय संपन्न होता है, ताकि उन चरणों को सुनिश्चित किया जा सके जिनके कारण प्रोटोन प्रवणता का विकास होता (चित्र 11.7) है।

(अ) चूँकि जल के अणु का विघटन झिल्लिका के अंदर की तरफ होता है अत: जल के विघटन से उत्पन्न हाइड्रोजन आयन अथवा प्रोटोन थाइलाकोइड अवकाशिका (ल्यूमेन) में संचित होते हैं।

चित्र 11.7 रसोपरासरण के द्वारा एटीपी का निर्माण

(ब) जैसे ही इलेक्ट्रॉन्स फोटोसिस्टम के माध्यम से गति करते हैं, प्रोटोन झिल्लिका के पार चला जाता है। ऐसा इसलिए होता है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन का प्राथमिक ग्राही, जो कि झिल्लिका के बाहर की ओर स्थित होता है, यह अपने इलेक्ट्रॉन को एक इलेक्ट्रॉन वाहक को स्थानांतरित नहीं करता, बल्कि एक हाइड्रोजन वाहक को करता है। अतः इलेक्ट्रॉन प्रवाह के समय यह अणु स्ट्रोमा से एक प्रोटोन को ले लेता है, जब यह अणु अपने इलेक्ट्रॉन को झिल्ली के भीतरी ओर स्थित इलेक्ट्रॉन वाहक को देता है, तब प्रोटोन के अंदर ओर अथवा झिल्ली की अवकाशिका की ओर मुक्त होता है।

(स) एनएडीपी रिडक्टेस एंजाइम झिल्ली के स्ट्रोमा की ओर होता है। पीएस I के इलेक्ट्रॉन ग्राही से आने वाले इलेक्ट्रॉन्स के साथ-साथ प्रोटोन एनएडीपी+ को एनएडीपी एच + एच+ में अपचयित करने के लिए आवश्यक होता है। ये प्रोटोन स्ट्रोमा पीठिका से ही आते हैं।

अतः क्लोरोप्लास्ट में स्थित स्ट्रोमा में प्रोटोन की संख्या घटती है, जबकि ल्यूमेन (अवकाशिका) में प्रोटोन का संचयन होता है। इस प्रकार यह थाइलाकोइड झिल्ली के आर-पार एक प्रोटोन प्रवणता उत्पन्न होती है और साथ ही साथ ल्यूमेन में पी एच $(\mathrm{pH})$ भी कम हो जाता है।

हमारे लिए प्रोटोन प्रवणता इतना महत्वपूर्ण क्यों है? प्रोटोन प्रवणता इसलिए महत्वपूर्ण है; चूँकि प्रवणता टूटने पर एटीपी का संश्लेषण होता है और ऊर्जा मुक्त होती है। यह प्रवणता इसलिए भंग होती है; क्योंकि प्रोटोन झिल्लिका में मौजूद एटीपी सिन्थेज के पारगमन वाहिका $\left(\mathrm{CF} _{0}\right)$ के माध्यम से स्ट्रोमा में गतिशील होता है। आपने अध्याय 12 में एटीपी तथा एटीपी सिन्थेज एंजाइम के बारे में पढ़ा है। आपको याद होगा कि एटीपी सिन्थेज एंजाइम में दो भाग होते हैं: इसमें एक एफ शून्य $\left(\mathrm{F} _{0}\right)$ कहलाता है, जो झिल्लिका में अतः स्थापित होता है तथा एक पारगमन झिल्लिका चैनल की रचना करता है जो कि झिल्लिका के आर-पार प्रोटोन के विसरण को आगे बढ़ाता है। इसका दूसरा भाग एफ वन $\left(\mathrm{F} _{1}\right)$ कहलाता है और थाइलेकोइड की बाहरी सतह जो स्ट्रोमा की ओर होती है पर उद्धर्व के रूप में होता है प्रवणता का भंजन पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करता है, जिसके कारण एटीपी सिन्थेज के कण एफ वन $\left(\mathrm{F} _{1}\right)$ में संरूपण परिवर्तन आता है। जिससे कि एंजाइम ऊर्जा से प्रचूर एटीपी का संश्लेषण कर सकें।

रसोपरासरण (केमिओस्मोसिस) के लिए एक झिल्लिका, एक प्रोटोन पंप, एक प्रोटोन प्रवणता तथा एटीपी सिन्थेज की आवश्यकता होती है। प्रोटोन को एक झिल्लिका के आर-पार पंप करने के लिए ऊर्जा का उपयोग होता है, ताकि थाइलेकोइड ल्यमेन में एक प्रवणता अथवा प्रोटोन की उच्च सांद्रता पैदा हो सके। एटीपी सिन्थेज के पास एक चैनल अथवा नलिका होता है, जो झिल्लिका के आर-पार प्रोटोन को विसरण का अवसर देता है। यह एटीपी सिन्थेज एंजाइम को सक्रिय करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा छोड़ता है जो एटीपी संश्लेषण को उत्प्रेरित करता है।

इलेक्ट्रॉन की गतिशीलता से उत्पादित एनएडीपीएच के साथ एटीपी भी स्ट्रोमा (पीठिका) में संपन्न होने वाले जैव संश्लेषण में तुरंत उपयोग कर लिए जाएंगे, जो $\mathrm{CO}_{2}$ के स्थिरण एवं शर्करा के संश्लेषण के लिए आवश्यक है।

11.7 एटीपी तथा एनएडीपीएच कहाँ उपयोग होते हैं?

हमने पढ़ा है कि प्रकाश अभिक्रिया के उत्पाद एटीपी, एनएडीपीएच तथा $\mathrm{O} _{2}$ हैं। इनमें से $\mathrm{O} _{2}$ क्लोराप्लास्ट के बाहर विसरित होती है; जबकि एटीपी तथा एनएडीपीएच का उपयोग आहार अथवा शर्करा को संश्लेषित करने वाली प्रक्रिया में होता है। यह प्रकाश-संश्लेषण का जैव संश्लेषण चरण होता है। यह प्रक्रिया परोक्ष रूप से प्रकाश पर निर्भर नहीं होती; बल्कि यह प्रकाश के प्रक्रियाओं के उत्पादों अर्थात् एटीपी तथा एनएडीपीएच के अतिरिक्त $\mathrm{CO} _{2}$ तथा $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ (जल) पर निर्भर होती है। आप शायद यह आश्चर्य कर सकते हैं कि इसकी सत्यता की जाँच कैसे की जा सकती है? यह बहुत ही सरल है। प्रकाश उपलब्ध न होने के तुरंत बाद कुछ समय तक के लिए जैव संश्लेषण प्रक्रिया जारी रहती है और इसके बाद बंद हो जाती है। यदि इसके बाद पुनः प्रकाश उपलब्ध होता है तो संश्लेषण पुनः आरंभ हो जाता है।

अतः जैव संश्लेषण चरण को अप्रकाशी अभिक्रिया (डार्क रिएक्शन) कहना क्या एक मिथ्या है? अपने साथियों के बीच इसकी चर्चा करें।

आइए अब देखें कि जैव संश्लेषण चरण में एटीपी तथा एनएडीपीएच का उपयोग कैसे होता है? हम पहले देख चुकें हैं कि $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ के साथ $\mathrm{CO} _{2}$ के मिलने से $\left(\mathrm{CH} _{2} \mathrm{O}\right) _{\mathrm{n}}$ अथवा शर्करा उत्पादित होती है। यह वैज्ञानिकों की रुचि थी कि उन्होंने यह खोजा कि यह प्रतिक्रिया कैसे संपन्न होती है अथवा यह जाना कि $\mathrm{CO} _{2}$ के प्रतिक्रिया में आने से अथवा यौगिकीकृत होने से कौन सा पहला उत्पाद बनता है। द्वितीय विश्व युद्ध के ठीक बाद, लाभदायी उपयोग हेतु रेडियो आइसोटोपिक का उपयोग किया गया। इस उपयोग में मेलविन केल्विन का कार्य सराहनीय था। उन्होंने शैवाल में रेडियो एक्टिव $14 _{\mathrm{C}}$ का उपयोग प्रकाश-संश्लेषण अध्ययन में किया, जिससे पता लगा कि $\mathrm{CO} _{2}$ यौगिकीकरण ( फिक्सेशन) पहला उत्पाद एक 3 कार्बन वाला कार्बनिक अम्ल था। इसके साथ ही उसने संपूर्ण जैव संश्लेषण पथ की खोज की अतः इसे केल्विन चक्र कहते हैं। इस पहले उत्पाद का नाम 3 -फोस्फोग्लिसेरिक अम्ल अथवा संक्षेप में पीजीए है। इसमें कितने कार्बन परमाणु होते हैं?

वैज्ञानिकों ने जानने का यह भी प्रयत्न किया कि क्या सभी पौधे $\mathrm{CO} _{2}$ यौगिकीकरण (स्थिरीकरण) के बाद पहला उत्पाद पीजीए ही बनाते हैं अथवा फिर अन्य पौधों में कोई अन्य उत्पाद हैं। बहुत सारे पौधों में व्यापक शोध किए गए, जहाँ पर $\mathrm{CO} _{2}$ के यौगिकीकरण का पहला स्थायी उत्पाद पुनः एक कार्बनिक अम्ल था, जिसमें कार्बन के चार परमाणु थे। यह अम्ल ओक्सैलोएसिटिक अम्ल अथवा ओएए था। तब से प्रकाश-संश्लेषण के दौरान $\mathrm{CO} _{2}$ के स्वांगीकरण (एसिमिलेशन) को दो मुख्य विधियों से बताया गया। जिन पौधों में, $\mathrm{CO} _{2}$ यौगिकीकरण का पहला उत्पाद $\mathrm{C} _{3}$ अम्ल (PGA) था उसे $\mathrm{C} _{3}$ पथ और जिनका पहला उत्पाद $\mathrm{C} _{4}$ अम्ल (ओएए) था, उसे $\mathbf{C} _{4}$ पथ कहते हैं। इन दोनों समूह के पौधों में कुछ अन्य अभिलक्षण भी होते हैं, जिनकी चर्चा हम बाद में करेंगे।

11.7.1 $\mathbf{C O}_{2}$ के प्राथमिकग्राही

आइए, अब हम अपने आप से एक प्रश्न पूछें, जिसे कि उन वैज्ञानिकों द्वारा पूछा गया था जो अप्रकाशी अभिक्रिया को समझने के लिए संघर्ष कर रहे थे। उस अणु में कितने कार्बन परमाणु हैं जो $\mathrm{CO}_{2}$ को ग्राह्य करने के बाद तीन कार्बन यौगिक (अर्थात् पीजीए) बनाते हैं?

अध्ययनों से पता लगा कि ग्राही अणु एक पाँच कार्बन वाला कीटोज शुगर (शर्करा) था, यह रिब्यूलोज 1-5 बायफोस्फेट (RuBP) था। क्या आपमें से किसी ने इस संभावना के बारे में सोचा था? परेशान मत होइए; वैज्ञानिकों को भी इसे जानने में बहुत समय लगा और किसी निष्कर्ष पर पहुँचने से पहले बहुत सारे प्रयोग किए गए थे। उन्हें यह भी यकीन था कि, चूँकि पहला उत्पाद $\mathrm{C}_{3}$ अम्ल था, अतः प्राथमिक्राही 2 कार्बन कंपाउंड (यौगिक) होगा। उन्होंने पहले 2 कार्बन कम्पाउंड को पहचानने के लिए कई वर्ष तक प्रयत्न किए। अंततः उन्होंने पाँच कार्बन वाले RuBP की खोज करने में सफलता प्राप्त की।

11.7.2 केल्विन चक्र

केल्विन तथा उसके सहकर्मियों ने संपूर्ण पथ का पता लगाया और बताया कि यह पथ एक चक्रीय क्रम में संचालित होता है; जिसमें RuBP पुनः उत्पादित होता है। आइए, अब यह देखें कि केल्विन पथ कैसे संचालित होता है और शर्करा कहाँ पर संश्लेषित होती है। आइए, शुरू में ही हम स्पष्ट रूप से समझ लें कि केल्विन चक्र उन सभी पौधों में होता है जो प्रकाश-संश्लेषण करते हैं। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि उनमें चाहे पथ $\mathrm{C} _{3}$ अथवा $\mathrm{C} _{4}$ (अथवा कोई अन्य) हो (चित्र 11.8)।केल्विन चक्र को आसानी से समझने के लिए इसको तीन चरणों - कार्बोक्सिलीकरण (कार्बोक्सीलेशन), रिडक्शन तथा रिजनरेशन में वर्णन करते हैं।

1. कार्बोक्सिलीकरण- $\mathrm{CO} _{2}$ के यौगिकीकरण से एक स्थिर कार्बनिक मध्यस्थ बनता है। केल्विन चक्र में कार्बोक्सिलीकरण एक अत्यधिक निर्णायक चरण है जहाँ $\mathrm{RuBP}$ के कार्बोक्सिलीकरण के लिए $\mathrm{CO} _{2}$ का उपयोग किया जाता है। यह प्रतिक्रिया एंजाइम RuBP कार्बोक्सिलेस के द्वारा उत्प्रेरित होती है, जिसके परिणामस्वरूप 3-P GA के दो अणु बनते हैं। चूँकि इस एंजाइम में एक ऑक्सीजिनेश (ऑक्सीकरण) क्षमता भी होती है, अतः यह ज्यादा उचित होगा कि हम इस एंजाइम को RuBP कार्बोक्सीलेस-ऑक्सीजिनेस अथवा रुबिस्को कहें।

चित्र 11.8 कैल्विन चक्र तीन भागों में बांटा जा सकता है। (1) कार्बोक्सिलेशन जिसमें $\mathrm{CO} _{2}$ राइबुलोज-1, 5 विसफांस्फेट से योग करता है (2) अवकरण, जिसमें कार्बोहाइड्रेट का निर्माण प्रकाश रासायनिक ग्राही तथा एनएडीपीएच की मदद से होता है तथा (3) पुनरुद्भवन जिसमें $\mathrm{CO} _{2}$ ग्राही राइबुलोज-1, 5 विसफॉस्फेट का फिर से निर्माण होता है तथा चक्र चलता रहता है।

2. रिडक्शन (अपचयन) यह प्रतिक्रियाओं की एक शृंखला है जिसमें ग्लूकोज बनता है। इस चरण में प्रत्येक $\mathrm{CO} _{2}$ अणु के स्थिरण हेतु एटीपी के 2 अणुओं का उपयोग फॉस्फोरिलेशन के लिए तथा एनएडीपीएच के दो अणुओं का उपयोग अपचयन हेतु होता है। पथ से ग्लूकोज के एक अणु को बनाने के लिए $\mathrm{CO} _{2}$ के 6 अणुओं के यौगिकीकरण तथा चक्करों की आवश्यकता होती है।

3. रिजेनरेशन ( पुनरुद्भवन) यदि चक्र को बिना बाधा के जारी रहना है तो $\mathrm{CO} _{2}$ ग्राही अणु RuBP का पुनरुद्भवन बहुत ही आवश्यक होता है। पुनरुद्भवन के चरण में RuBP गठन हेतु फॉस्फोरीलेशन के लिए एक एटीपी की आवश्यकता होती है।

इसलिए, केल्विन चक्र में $\mathrm{CO} _{2}$ के प्रत्येक अणु को प्रवेश के लिए एटीपी के 3 अणु तथा एनएडीपीएच के 2 अणुओं की आवश्यकता होती है। अप्रकाश अभिक्रिया में उपयोग होने वाले एटीपी और एनएडीपीएच की संख्याओं में यह अंतर ही चक्रीय फॉस्फोरीलेशन को संपन्न कराने का कारण है।

ग्लूकोस के एक अणु की रचना के लिए इस चक्र के 6 चक्करों की आवश्यकता होती है। यह पता करें कि केल्विन पथ के माध्यम से ग्लूकोस के एक अणु की रचना के लिए कितने एटीपी तथा एनएडीपीएच के अणुओं को आवश्यकता होती है। आपको यह बात शायद समझने में मदद करेगी कि केल्विन चक्र में क्या अंदर जाता है और क्या बाहर निकलता है।

अंदर	बाहर
$6 \mathrm{CO}_{2}$	एक ग्लूकोज
18 एटीपी	18 एडीपी
12 एनएडीपीएच	12 एनएडीपी

11.8 पथ $\mathbf{C}_{4}$

$\mathrm{C} _{4}$ पथ जैसा कि पहले बताया गया है कि पौधे जो शुष्क उष्णकटिबंधी क्षेत्र में पाए जाते हैं उनमें $\mathrm{C} _{4}$ पथ होता है। इन पौधों में $\mathrm{CO} _{2}$ को यौगिकीकरण का पहला उत्पाद यद्यपि $\mathrm{C} _{4}$ औक्जेलोएसिटिक अम्ल होता है फिर भी इनके मुख्य जैव संश्लेषण पथ में $\mathrm{C} _{3}$ पथ अथवा केल्विन चक्र ही होता है। तब फिर से $\mathrm{C} _{3}$ पौधों से किस प्रकार में भिन्न हैं? यह एक प्रश्न है जिसे आप पूछ सकते हैं।

$\mathrm{C} _{4}$ पौधे विशिष्ट हैं: इनकी पत्तियों में एक विशेष प्रकार की शारीरिकी होती है। ये उच्च ताप को सह सकते हैं। ये उच्च प्रकाश तीव्रता के प्रति अनुक्रिया करते हैं। उनमें प्रकाश श्वसन प्रक्रिया नहीं होती और उनमें जैव भार अधिक उत्पन्न होता है। आइए, इन्हें एक-एक करके समझें।

आओ, $\mathrm{C} _{3}$ तथा $\mathrm{C} _{4}$ पत्तियों की खड़ी काट का अध्ययन करें। क्या आपने इन दोनों में कोई अंतर देखा है? क्या दोनों में एक ही प्रकार के पर्णमध्योतक हैं? क्या इनके संवहनी पूलाच्छद के आस-पास एक ही प्रकार की कोशिकाएं हैं?

$\mathrm{C} _{4}$ पथ पौधों की संवहन बंडल के चारों ओर स्थित बृहद् कोशिकाएं पूलाच्छद (बंडल शीथ) कोशिकाएं कहलाती है और पत्तियाँ जिनमें ऐसी शारीर होती है, उन्हें क्रैंजी शारीर वाली पत्तियाँ कहते हैं। यहाँ, क्रैंज का अर्थ है छल्ला अथवा घेरा, चूँकि कोशिकाओं की व्यवस्था एक छल्ले के रूप में होती है। संवहन बंडल के आस-पास पूलाच्छद कोशिकाओं की अनेकों परतें होती हैं, इनमें बहुत अधिक संख्या में क्लोरोप्लास्ट होते हैं, इसकी मोटी भित्तियाँ गैस से अप्रवेश्य होती हैं और इनमें अंतरकोशीय स्थान नहीं होता। आप $\mathrm{C} _{4}$ पौधों जैसे मक्का अथवा ज्वार की पत्तियों का एक भाग काटो, ताकि क्रैंज शारीर एवं पर्णमध्योतक देख सकें।

अपने आस-पास के विभिन्न स्पेशीज के पेड़ों की पत्तियाँ एकत्र करें और उनकी पत्तियों की खड़ी काट लें। सूक्ष्मदर्शी से इसके संवहन बंडल पूल के आस-पास पूलाच्छद को देखें। पूलाच्छद की उपस्थिति $\mathrm{C} _{4}$ पौधों को पहचानने में आपकी सहायता करेगा।

अब चित्र 11.9 में दिखाए गए पथ का अध्ययन करें। इस पथ को हैच एवं स्लैल पथ कहते हैं। यह भी एक चक्रीय प्रक्रिया है। आइए, हम चरणों को समझते हुए पथ का अध्ययन करें।

$\mathrm{CO} _{2}$ का प्राथमिक ग्राही एक 3 कार्बन अणु फोस्फोइनोल पाइरुवेट (PEP) है और वह पर्णमध्योतक कोशिका में स्थित होता है। इस यौगिकीकरण को पेप कार्बोक्सीलेस अथवा पेप केस (PEP) नामक एंजाइम संपन्न करता है। पर्णमध्योतक कोशिकाओं में रुबिस्को एंजाइम नहीं होता है। $\mathrm{C} _{4}$ अम्ल ओएए पर्णमध्योतक कोशिका में निर्मित होता है।

इसके बाद ये पर्णमध्योतक कोशिका में अन्य 4-कार्बन वाले अम्ल जैसे मैलिक अम्ल और एस्पार्टिक अम्ल बनते हैं, जोकि पूलाच्छद कोशिका में चले जाते हैं। पूलाच्छद कोशिका में यह $\mathrm{C} _{4}$ अम्ल विघटित हो जाता है जिससे $\mathrm{CO} _{2}$ तथा एक 3 -कार्बन अणु मुक्त होते हैं।

3-कार्बन अणु पुनः पर्णमध्योतक में वापस आ जाता है, जहाँ यह पुनः पेप में बदला जाता है और इस तरह से यह चक्र पूरा होता है। पूलाच्छद कोशिका से निकली $\mathrm{CO }_{2}$ केल्विन पथ अथवा $\mathrm{C} _{3}$ में प्रवेश करती है केल्विन एक ऐसा पथ जो सभी पौधों में समान रूप से होता है। पूलाच्छद कोशिका रुबिस्को से भरपूर होती है, परंतु पेप केस से रहित होती है। अतः मौलिक पथ केल्विन पथ जिसके परिणामस्वरूप शर्करा बनती है, वह $\mathrm{C} _{3}$ एवं $\mathrm{C} _{4}$ पौधों में सामान्य रूप से होता है।

चित्र 11.9 हैच एवं स्लैक पाथवे

क्या आपने ध्यान दिया है कि केल्विन पथ सभी $\mathrm{C} _{3}$ पौधों की पर्णमध्योतक कोशिकाओं में पाया जाता है? $\mathrm{C} _{4}$ पौधों में पर्णमध्योतक कोशिकाओं में यह संपन्न नहीं होता है, किंतु पूलाच्छद कोशिकाओं में केवल कारगर होता है।

11.9 प्रकाश श्वसन ( फोटोरेस्पिरेशन )

आइए, हम एक और प्रक्रिया- प्रकाश श्वसन को जानने का प्रयत्न करते हैं, जो $\mathrm{C} _{3}$ एवं $\mathrm{C} _{4}$ पौधों में महत्वपूर्ण अंतर करती है। प्रकाश श्वसन समझने के लिए, हमें केल्विन पथ के प्रथम चरण अर्थात् $\mathrm{CO} _{2}$ स्थिरीकरण के पहले चरण के विषय में कुछ अधिक जानकारी करनी होगी। यह वह अभिक्रिया है जहाँ RuBP कार्बन डाईऑक्साइड से संयोजित कर 3 पीजीए के 2 अणुओं का गठन करता है और एक एंजाइम रिबूलोज विसफोस्फेट कार्बोक्सीलेस ऑक्सीजिनेस (RuBisCO) के द्वारा उत्प्रेरित होता है।

$$ \mathrm{RuBP}+\mathrm{CO}_{2} \xrightarrow{\text { रुबिस्को }} 2 \times 3 \text { PGA } $$

रुबिस्को नामक एंजाइम विश्व में सबसे ज्यादा प्रचुर है (आपको आश्चर्य होता है क्यों?) और इसका यह गुण है कि इसकी सक्रिय जगह $\mathrm{CO} _{2}$ एवं $\mathrm{O} _{2}$ दोनों से बंधित हो सकता है। इसलिए इसे रुबिस्को कहते हैं। क्या आप सोच सकते हैं कि यह केसे संभव है? जब $\mathrm{CO} _{2}$ व $\mathrm{O} _{2}$ का अनुपात लगभग समान होता है रुबिस्को में $\mathrm{O} _{2}$ की अपेक्षा $\mathrm{CO} _{2}$ के लिए अधिक बंधुता है। कल्पना कीजिए कि यदि ऐसा नहीं होता तो क्या होता! यह आबंधता प्रतियोगितात्मक है। $\mathrm{O} _{2}$ अथवा $\mathrm{CO} _{2}$ इनमें से कौन आबंध होगा, यह उनकी सापेक्ष सांद्रता पर निर्भर करता है।

$\mathrm{C} _{3}$ पौधों में कुछ $\mathrm{O} _{2}$ रुबिस्को से बंधित होती है अतः $\mathrm{CO} _{2}$ का यौगिकीकरण कम हो जाता है। यहाँ पर आरयुबीपी 3 -PGA के अणुओं में पतिवर्तित होने की बजाय ऑक्सीजन से संयोजित होकर चक्र में एक फास्फोग्लिसरेट अणु तथा फॉस्फोग्लाइकोलेट का एक अणु बनाते हैं जिसे प्रकाश श्वसन कहते हैं। प्रकाश श्वसन पथ में शर्करा और एटीपी का संश्लेषण नहीं होता; बल्कि इसमें एटीपी के उपयोग के साथ $\mathrm{CO} _{2}$ भी निकलती है। प्रकाश श्वसन पथ में एटीपी अथवा एनएडीपीएच का संश्लेषण नहीं होता। प्रकाश श्वसन के जैविक कार्य के बारे में अभी तक पता नहीं है।

$\mathrm{C} 4$ पौधे में प्रकाश श्वसन नहीं होता है। इसका कारण यह है कि इनमें एक ऐसी प्रणाली होती है जो एंजाइम स्थल पर $\mathrm{CO} _{2}$ की साद्रंता बढ़ा देती है। ऐसा तब होता है जब पर्णमध्योतक का $\mathrm{C} _{4}$ अम्ल पूलाच्छद में टूटकर $\mathrm{CO} _{2}$ को मुक्त करता है, जिसके परिणामस्वरूप $\mathrm{CO} _{2}$ की अंतरकोशिकीय सांद्रता बढ़ जाती है। इससे यह सुनिश्चित हो जाता है कि रुबिस्को कार्बोक्सीलेस के रूप में कार्य करता है, जिससे इसकी ऑक्सीजिनेस के रूप में कार्य करने की क्षमता कम हो जाती है।

अब, आप जानते है कि $\mathrm{C} _{4}$ पौधों में प्रकाश श्वसन नहीं होता। अब संभवतः आप समझ गए होंगे कि इन पौधों में उत्पादकता एवं उत्पादन क्यों अच्छा होता है। इसके अतिरिक्त ये पौधे उच्च ताप को भी सहन कर सकते हैं।

उपर्युक्त परिचर्चा के आधार पर क्या आप उन पौधों की तुलना कर सकते हो जिसमें $\mathrm{C} _{3}$ तथा $\mathrm{C} _{4}$ पथ होता है। आप दी गई तालिका का उपयोग कर आवश्यक सूचनाओं को भरें।

तालिका $11.1 \mathbf{C} _{3}$ एवं $\mathbf{C} _{4}$ पौधों के बीच अंतर करने के लिए इस तालिका के कालम 2 और 3 को भरो।

विशिष्टताएं	$\mathrm{C} _{3}$ पौधे	$\mathrm{C} _{4}$ पौधे	इनमें से चुनिए
वह कोशिका प्रकार जिसमें केल्विन चक्र संपन्न होता है			पर्णमध्योतक/पूलाच्छद/दोनों
वह कोशिका प्रकार जिसमें प्रारंभिक कार्बोक्सिलेशन प्रतिक्रिया घटित होता है।			पर्णमध्योतक/पूलाच्छद/दोनों
एक पत्ती में कितने प्रकार की कोशिकाएं होती है जो $\mathrm{CO}_{2}$ का यौगिकीकरण करती है।			एक: पर्णमध्योतक, दो: पूलाच्छद एवं पर्णमध्योतक तीन: पूलाच्छद, पैलिसेड (खंभ), स्पजी पर्णमध्योतक
$\mathrm{CO}_{2}$ का प्राथमिक ग्राही कौन सा है?			आरयुबीपी/पीईपी/पीजीए
प्राथमिक $\mathrm{CO}_{2}$ ग्राही में कितनी संख्या में कार्बन होते हैं?			$5 / 4 / 3$
$\mathrm{CO}_{2}$ स्थिरीकरण का प्राथमिक उत्पाद कौन सा है?			पीजीए/ओएए/आरयुबीपी
$\mathrm{CO}_{2}$ स्थिरीकरण के प्राथमिक उत्पाद में कितने कार्बन हैं?			$3 / 4 / 5$
क्या पौधे में रुबिस्को (RuBisCO) होता है?			हाँ/नहीं/सदैव नहीं
क्या पौधे में पेपकेस (PEPCase) होता है?			हाँ/नहीं/सदैव नहीं
पौधे में किन कोशिकाओं में रुबिस्को (Rubisco) होता है?			पर्णमध्योतक/पूलाच्छद कोई नहीं
उच्च प्रकाश स्थिति में $\mathrm{CO}_{2}$ के यौगिकीकरण की दर			निम्न/उच्च/मध्यम
क्या निम्न प्रकाश तीव्रता में प्रकाश श्वसन होता है?			उच्च/नगण्य/कभी-कभी
क्या उच्च प्रकाश तीव्रता में प्रकाश श्वसन होता है?			उच्च/नगण्य/कभी-कभी
क्या निम्न $\mathrm{CO}_{2}$ सांद्रता में प्रकाश श्वसन होगा?			उच्च/नगण्य/कभी-कभी
क्या उच्च $\mathrm{CO}_{2}$ सांद्रता में प्रकाश श्वसन होगा?			उच्च/नगण्य/कभी-कभी
अनुकूलतम तापमान			$30-40^{\circ} \mathrm{C} / 20-25^{\circ} \mathrm{C} \quad 40^{\circ} \mathrm{C}$ से ऊपर
उदाहरण			विभिन्न पौधों की पत्तियों के खडे सेक्सन काटें तथा सूक्ष्मदर्शी के नीचे रखकर क्रैंज शरीर देखें तथा उन्हें उपयुक्त खाने (कॉलम) में भरें।

11.10 प्रकाश-संश्लेषण को प्रभावित करने वाले कारक

प्रकाश-संश्लेषण को प्रभावित करने वाले कारकों के विषय में जानना आवश्यक है। प्रकाश-संश्लेषण की दर पौधों एवं फसली पादपों के उत्पादन जानने में अत्यंत ही महत्वपूर्ण है। प्रकाश-संश्लेषण कई कारकों से प्रभावित होता है जो बाह्य तथा आंतरिक दोनों ही हो सकते हैं। पादप कारकों में संख्या, आकृति, आयु तथा पत्तियों का विन्यास, पर्णमध्योतक कोशिकाएं तथा क्लोराप्लास्ट आंतरिक $\mathrm{CO} _{2}$ की सांद्रता और क्लोराफिल की मात्रा आदि है। पादप अथवा आंतरिक कारक पौधे की वृद्धि तथा आनुवंशिक पूर्वानुकूलता पर निर्भर करते हैं।

बाह्य कारक हैं सूर्य का प्रकाश, ताप, $\mathrm{CO} _{2}$ की सांद्रता तथा जल। पादप की प्रकाश-संश्लेषण प्रक्रिया में ये सभी कारक एक समय में साथ-साथ ही प्रभाव डालते हैं। यद्यपि, बहुत सारे कारक परस्पर क्रिया करते हैं तथा साथ-साथ प्रकाश-संश्लेषण अथवा $\mathrm{CO} _{2}$ के यौगिकीकरण को प्रभावित करते हैं, फिर भी प्राय: इनमें से कोई भी एक कारक इस की दर को प्रभावित अथवा सीमित करने का मुख्य कारण बन जाता है। अतः किसी भी समय पर उपानुकूलतम स्तर पर उपलब्ध कारक द्वारा प्रकाश-संश्लेषण की दर का निर्धारण होगा।

जब अनेक कारक किसी (जैव) रासायनिक प्रक्रिया को प्रभावित करते हैं तो ब्लैकमैन का (1905) लॉ ऑफ लिमिटिंग फैक्टर्स प्रभाव में आता है।

इसके अनुसारः यदि कोई रासायनिक प्रक्रिया एक से अधिक कारकों द्वारा प्रभावित होती है तो इसकी दर का निर्धारण उस समीपस्थ कारक द्वारा होगा जो कि न्यूनतम मान (मूल्य) वाला हो। अगर उस कारक की मात्रा बदल दी जाए तो कारक प्रक्रिया को सीधे प्रभावित करता है।

चित्र 11.10 प्रकाश की तीव्रता का प्रकाशसंश्लेषण के प्रति दर पर प्रभाव का ग्राफ

उदाहरण के लिए एक हरी पत्ती, अधिकतम अनुकूल प्रकाश तथा $\mathrm{CO} _{2}$ की उपस्थिति के बावजूद, यदि ताप बहुत कम हो तो प्रकाश-संश्लेषण नहीं करेगी। इस पत्ती में प्रकाश-संश्लेषण तभी शुरु होगा, यदि उसे ईष्टतम ताप प्रदान किया जाए।

11.10.1 प्रकाश

जब हम प्रकाश को प्रकाश-संश्लेषण को प्रभावित करने वाले कारक के रूप में लेते हैं तो हमें प्रकाश की गुणवत्ता, प्रकाश की तीव्रता तथा दीप्तिकाल के बीच अंतर करने की आवश्यकता है। यहाँ कम प्रकाश तीव्रता पर आपतित प्रकाश तथा $\mathrm{CO} _{2}$ के यौगिकीरण की दर के बीच एक रैखीय संबंध है। उच्च प्रकाश तीव्रता होने पर, इस दर में कोई वृद्धि नहीं होती है, अन्य कारक सीमित हो जाते हैं (चित्र 11.10)। इसमें ध्यान देने वाली रोचक बात यह है कि प्रकाश संतृप्ति पूर्ण प्रकाश के 10 प्रतिशत पर होती है। छाया अथवा सघन जंगलों में उगने वाले पौधों को छोड़कर प्रकाश शायद ही प्रकृति में सीमाकारी कारक हो। एक सीमा के बाद आपतित प्रकाश क्लोरोफिल के विघटन का कारण होती है, जिससे प्रकाश-संश्लेषण की दर कम हो जाती है।

11.10.2 कार्बन डाइऑक्साइड की सांद्रता

प्रकाशसंश्लेषण में कार्बन डाइऑक्साइड एक प्रमुख सीमाकारी कारक है। वायुमंडल में $\mathrm{CO} _{2}$ की सांद्रता बहुत ही कम है ( 0.03 और 0.04 प्रतिशत के बीच)। $\mathrm{CO} _{2}$ की सांद्रता में 0.05 प्रतिशत तक वृद्धि के कारण $\mathrm{CO} _{2}$ की यौगिकीकरण दर में वृद्धि हो सकती है, लेकिन इससे अधिक की मात्रा लंबे समय तक के लिए क्षतिकारक बन सकता है।

$\mathrm{C} _{3}$ एवं $\mathrm{C} _{4}$ पौधे $\mathrm{CO} _{2}$ की सांद्रता में भिन्न अनुक्रिया करते हैं। निम्न प्रकाश स्थितियों में दोनों में से कोई भी समूह उच्च $\mathrm{CO} _{2}$ सांद्रता के प्रति अनुक्रिया नहीं करते हैं। उच्च प्रकाश तीव्रता में $\mathrm{C} _{3}$ तथा $\mathrm{C} _{4}$ दोनों ही तरह के पादपों में प्रकाश-संश्लेषण की बढ़ी दर अधिक हो जाती है। यहाँ पर यह ध्यान देना महत्वपूर्ण है कि $\mathrm{C} _{4}$ पौधे लगभग $360 \mu \mathrm{LL}^{-1}$ पर संतृप्त हो जाते हैं जबकि $\mathrm{C} _{3}$ बढ़ी हुई $\mathrm{CO} _{2}$ सांद्रता पर अनुक्रिया करता है तथा संतृप्तन केवल $450 \mu \mathrm{lL}^{-1}$ के बाद ही दिखाती है। अतः उपलब्ध $\mathrm{CO} _{2}$ का स्तर $\mathrm{C} _{3}$ पादपों के लिए सीमाकारी है।

सच यह है कि $\mathrm{C} _{3}$ पौधे उच्चतर $\mathrm{CO} _{2}$ सांद्रता में अनुक्रिया करते हैं और इससे प्रकाश-संश्लेषण की दर में वृद्धि होती है, जिसके फलस्वरूप उत्पादन अधिक होता है और सिद्धांत का उपयोग ग्रीन हाउस फसलों, जैसे टमाटर एवं बेल मिर्च में किया गया है। इन्हें कार्बन-डाइऑक्साइड से भरपूर वातावरण में बढ़ने का अवसर दिया जाता है ताकि उच्च पैदावार प्राप्त हो।

11.10 .3 ताप

अप्रकाशी अभिक्रिया एंजाइम पर निर्भर करती है, इसलिए ताप द्वारा नियंत्रित होती है। यद्यपि प्रकाश अभिक्रिया भी ताप संवेदी होती है, लेकिन उस पर ताप का काफी कम प्रभाव होता है। $\mathrm{C} _{4}$ पौधे उच्च ताप पर अनुक्रिया करते हैं तथा उनमें प्रकाश-संश्लेषण की दर भी ऊँची होती है, जबकि $\mathrm{C} _{3}$ पौधे के लिए ईष्टतम ताप कम होता है।

विभिन्न पौधों के प्रकाश-संश्लेषण लिए इष्टतम ताप उनके अनुकूलित आवास पर निर्भर करता है। उष्णकटिबंधी पौधों के लिए ईष्टतम ताप उच्च होता है। समशीतोष्ण जलवायु में उगने वाले पौधों के लिए एक अपेक्षाकृत कम ताप की आवश्यकता होती है।

11.10.4 जल

यद्यपि प्रकाश अभिक्रिया में जल एक महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया अभिकारक है, तथापि, कारक के रूप में जल का प्रभाव पूरे पादप पर पड़ता है, न कि सीधे प्रकाश-संश्लेषण पर। जल तनाव रंध्र को बंद कर देता है अतः $\mathrm{CO} _{2}$ की उपलब्धता घट जाती है। इसके साथ ही, जल तनाव से पत्तियाँ मुरझा जाती हैं, जिससे पत्ती का क्षेत्रफल कम हो जाता है और इसके साथ ही साथ उपापचयी क्रियाएं भी कम हो जाती हैं।

सारांश

पौधे अपने भोजन को प्रकाश-संश्लेषण द्वारा स्वयं तैयार करते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान वायुमंडल में उपलब्ध कार्बनडाइऑक्साइड पत्तियों के रंध्रों द्वारा ली जाती है और कार्बोहाइड्रेट्स- मुख्यतः ग्लूकोज (शर्करा) एवं स्टार्च बनाने में उपयोग की जाती है। प्रकाश-संश्लेषण की क्रिया पौधों के हरे भागों, मुख्यतः पत्तियों में संपन्न होती है। पत्तियों के अंतर्गत पर्णमध्योतक कोशिकाओं में भारी मात्रा में क्लोरोप्लास्ट होता है जोकि $\mathrm{CO} _{2}$ के यौगिकीकरण (फिक्सेशन) के लिए उत्तरदायी होता है। क्लोरोप्लास्ट के अंतर्गत, प्रकाश अभिक्रिया के लिए झिल्लिकाएं वह स्थल होती हैं, जबकि केमोसिंथेटिक पथ स्ट्रोमा में स्थित होता है। प्रकाश-संश्लेषण में दो चरण होते हैं: प्रकाश अभिक्रिया तथा कार्बन फिक्सिंग रिएक्शन (कार्बन यौगिकीकरण अभिक्रिया)। प्रकाश अभिक्रिया में प्रकाश ऊर्जा एंटेना में मौजूद वर्णकों द्वारा अवशोषित किए जाते हैं तथा अभिक्रिया केंद्र में मौजूद क्लोरोफिल ए के अणुओं को भेज दिए जाते हैं। यहाँ पर दो फोटोसिस्टम (प्रकाश प्रणाली) पीएस I तथा पीएस II होते हैं। पीएस I के अभिक्रिया केंद्र में क्लोरोफिल ए पी 700 के अणु जो प्रकाश तरंगदैर्ध्य 700 एनएम को अवशोषित करते हैं, जबकि पीएस II में एक पी 680 अभिक्रिया केंद्र होता है जो लाल प्रकाश को 680 एनएम पर अवशोषित करता है। प्रकाश अवशोषण के बाद इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होते हैं और PS II तथा PS I से स्थानांतरित होते हुए अंत में एनएडीपी (NADP) में पहुँच एनएडीपीएच (NADPH) की रचना करते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान एक प्रोटोन प्रवणता थाइलेकोइड की झिल्लिका के आर-पार पैदा की जाती है। एटीपी एंजाइम के हिस्से $\mathrm{F} _{0}$ से प्रोटोन की गति के कारण प्रवणता भंग हो जाती है तथा एटीपी के संश्लेषण हेतु पर्याप्त ऊर्जा मुक्त की जाती है। पानी के अणु का विघटन PS II के साथ जुड़ा होता है, परिणामतः $\mathrm{O} _{2}$, और प्रोटोन की रिहाई होती है और PS II में इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण होता है।

कार्बन यौगिकीकरण में, एंजाइम रुबिस्को द्वारा $\mathrm{CO} _{2}$ एक 5 कार्बन यौगिक $\mathrm{RuBP}$ से जोड़ा जाता है तथा 3 कार्बन पीजीए के 2 अणु में बदलता है। इसके बाद केल्विन चक्र द्वारा यह शर्करा में परिवर्तित होता है और RuBP पुनरुद्भवित होता है। इस प्रक्रिया के दौरान प्रकाश अभिक्रिया द्वारा संश्लेषित एटीपी एवं एनएडीपी एच इस्तेमाल होता है। इसके साथ ही $\mathrm{C} _{3}$ पौधों में रुबिस्को एक निर्थक ऑक्सीजिनेशन प्रतिक्रिया: प्रकाश श्वसन को उत्प्रेरित करता है।

कुछ उष्णकटिबंधीय पौधे विशेष प्रकार का प्रकाश-संश्लेषण करते हैं जिसे $\mathrm{C} _{4}$ कहते हैं। इन पौधों के पर्णमध्योतक में संपन्न होने वाले $\mathrm{CO} _{2}$ यौगिकीकरण के उत्पाद एक 4 कार्बन यौगिक हैं। पूलाच्छद कोशिका में केल्विन पथ चलाया जाता है, जिससे कार्बोहाइड्रेटस का संश्लेषण होता है।

अभ्यास

1. एक पौधे को बाहर से देखकर क्या आप बता सकते हैं कि वह $\mathrm{C} _{3}$ है अथवा $\mathrm{C} _{4}$ ? कैसे और क्यों?

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2. एक पौधे की आंतरिक संरचना को देखकर क्या आप बता सकते हैं कि वह $\mathrm{C} _{3}$ है अथवा $\mathrm{C} _{4}$ ? वर्णन करें?

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3. हालांकि $\mathrm{C} _{4}$ पौधे में बहुत कम कोशिकाएं जैव-संश्लेषण - केल्विन पथ को वहन करते हैं, फिर भी वे उच्च उत्पादकता वाले होते हैं। क्या इस पर चर्चा कर सकते हो कि ऐसा क्यों हैं?

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4. रुबिस्को ( $\mathrm{RuBisCO})$ एक एंजाइम है जो कार्बोक्सिलेस और ऑक्सीजिनेस के रूप में काम करता है। आप ऐसा क्यों मानते हैं कि $\mathrm{C} _{4}$ पौधों में, रुबिस्को अधिक मात्रा में कार्बोक्सिलेशन करता है?

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5. मान लीजिए, यहाँ पर क्लोरोफिल बी की उच्च सांद्रता युक्त, मगर क्लोरोफिल ए की कमी वाले पेड़ थे। क्या ये प्रकाश-संश्लेषण करते होंगे? तब पौधों में क्लोरोफिल बी क्यों होता हैं? और फिर दूसरे गौण वर्णकों की क्या जरूरत है?

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6. यदि पत्ती को अंधेरे में रख दिया गया हो तो उसका रंग क्रमशः पीला एवं हरा पीला हो जाता है? कौन से वर्णक आपकी सोच में अधिक स्थायी हैं?

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7. एक ही पौधे की पत्ती का छाया वाला (उल्टा) भाग देखें और उसके चमक वाले (सीधे) भाग से तुलना करें अथवा गमले में लगे धूप में रखे हुए तथा छाया में रखे हुए पौधों के बीच तुलना करें। कौन सा गहरे हरे रंग का होता है, और क्यों?

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8. प्रकाश-संश्लेषण की दर पर प्रकाश का प्रभाव पड़ता है (चित्र 13.10)। ग्राफ के आधार पर निम्नलिखित प्रश्नों के उत्तर दें:

(अ) वक्र के किस बिंदु अथवा बिंदुओं पर (क, ख, अथवा ग) प्रकाश एक नियामक कारक है?

(ब) क बिंदु पर नियामक कारक कौन से हैं?

(स) वक्र में ग और घ क्या निरूपित करता है?

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9. निम्नांकित में तुलना करें-

(अ) $\mathrm{C} _{3}$ एवं $\mathrm{C} _{4}$ पथ

(ब) चक्रीय एवं अचक्रीय फोटोफॉस्फोरिलेसन

(स) $\mathrm{C} _{3}$ एवं $\mathrm{C} _{4}$ पादपों की पत्ती की शारीरिकी

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Biology-11

Chapter-13 Photosynthesis in Higher Plants

13.1 WHAT DO WE KNOW?

13.2 EARLY EXPERIMENTS

13.3 WHERE DOES PHOTOSYNTHESIS TAKE PLACE?

13.4 HOW MANY TYPES OF PIGMENTS ARE INVOLVED IN PHOTOSYNTHESIS?

13.5 WHAT IS LIGHT REACTION?

13.6 THE ELECTRON TRANSPORT

13.6.1 Splitting of Water

13.6.2 Cyclic and Non-cyclic Photo-phosphorylation

13.6.3 Chemiosmotic Hypothesis

13.7 WHERE ARE THE ATP AND NADPH USED?

13.7.1 The Primary Acceptor of $\mathrm{CO_2}$

13.7.2 The Calvin Cycle

13.8 THE $C_4$ PATHWAY

13.9 PHOTORESPIRATION

13.10 FACTORS AFFECTING PHOTOSYNTHESIS

13.10.1 Light

13.10.2 Carbon dioxide Concentration

13.10.3 Temperature

13.10.4 Water

Summary

Exercises

11.1 हम क्या जानते हैं?

11.2 प्रारंभिक प्रयोग

11.3 प्रकाश-संश्लेषण कहाँ संपन्न होता है?

11.4 प्रकाश-संश्लेषण में कितने प्रकार के वर्णक भाग लेते हैं?

11.5 प्रकाश अभिक्रिया क्या है?

11.6 इलेक्ट्रॉन परिवहन

11.6.1 जल का विघटन

11.6.2 चक्रीय एवं अचक्रीय फोटो-फोस्फोरीलेशन

11.6.3 रसोपरासरणी परिकल्पना ( केमिओस्मोटिक हाइपोथेसिस )

11.7 एटीपी तथा एनएडीपीएच कहाँ उपयोग होते हैं?

11.7.1 $\mathbf{C O}_{2}$ के प्राथमिकग्राही

11.7.2 केल्विन चक्र

11.8 पथ $\mathbf{C}_{4}$

11.9 प्रकाश श्वसन ( फोटोरेस्पिरेशन )

11.10 प्रकाश-संश्लेषण को प्रभावित करने वाले कारक

11.10.1 प्रकाश

11.10.2 कार्बन डाइऑक्साइड की सांद्रता

11.10 .3 ताप

11.10.4 जल

सारांश

अभ्यास

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