उच्च पादपों में प्रकाश-संश्लेषण

प्रकाश-संश्लेषण एक भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया है जिसके द्वारा प्रकाश-संश्लेषी जीव प्रकाश ऊर्जा का उपयोग करके अकार्बनिक कच्चे माल ($\text{CO}_2$ व जल) से कार्बनिक यौगिकों का संश्लेषण करते हैं तथा आणविक ऑक्सीजन ($\text{O}_2$) मुक्त करते हैं। प्रमुख ऐतिहासिक खोजें निम्नलिखित हैं:

• जोसेफ प्रीस्टले (1770): उन्होंने एक मोमबत्ती, एक चूहे और पुदीने की टहनी (Mentha) के साथ बेलजार प्रयोग किया। उन्होंने देखा कि बंद बेलजार में जलती मोमबत्ती शीघ्र बुझ जाती है और चूहा दम घुटने से मर जाता है; परंतु पुदीने का पौधा रखने पर मोमबत्ती निरंतर जलती रहती है और चूहा जीवित रहता है। प्रीस्टले ने निष्कर्ष निकाला कि जंतुओं के श्वसन और मोमबत्ती के जलने से दूषित हुई वायु को हरे पौधे पुनः शुद्ध कर देते हैं। प्रीस्टले ने 1774 में ऑक्सीजन की खोज की।
• यान इन्गेनहाउज़ (1779): उन्होंने सिद्ध किया कि पौधों द्वारा वायु शुद्धिकरण के लिए सूर्य का प्रकाश अनिवार्य है। जलीय पौधे (Hydrilla) के प्रयोग से उन्होंने दिखाया कि तीव्र प्रकाश में पौधे के हरे भागों के चारों ओर छोटे-छोटे बुलबुले बनते हैं, जो अंधेरे में नहीं बनते। बाद में उन्होंने पहचाना कि ये बुलबुले ऑक्सीजन के थे।
• जूलियस वॉन सैक्स (1854): उन्होंने प्रमाण दिया कि पौधे की वृद्धि के समय ग्लूकोज बनता है, जो प्रायः स्टार्च (मंड) के रूप में संचित होता है। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि हरा वर्णक (क्लोरोफिल) कोशिका के विशिष्ट अंगकों (हरितलवक) में स्थित होता है।
• टी. डब्ल्यू. एंजेलमैन (1888): उन्होंने प्रिज्म द्वारा श्वेत प्रकाश को उसके स्पेक्ट्रमी घटकों में विभक्त करके हरे शैवाल Cladophora को प्रकाशित किया और शैवाल को वायवीय जीवाणुओं (ऑक्सीजन खोजी जीवाणु) के निलंबन में रखा। जीवाणु मुख्यतः नीले और लाल प्रकाश के क्षेत्रों में एकत्र हुए। यह प्रकाश-संश्लेषण का पहला क्रिया वर्णक्रम (Action Spectrum) था।
• कॉर्नेलियस वैन नील (1930s): बैंगनी और हरे सल्फर जीवाणुओं के तुलनात्मक अध्ययन से उन्होंने सिद्ध किया कि प्रकाश-संश्लेषण मूलतः एक प्रकाश-आश्रित रेडॉक्स अभिक्रिया है, जिसमें किसी ऑक्सीकरण योग्य यौगिक का हाइड्रोजन कार्बन डाइऑक्साइड को अपचयित करता है:
  $$2\text{H}_2\text{A} + \text{CO}_2 \xrightarrow{\text{प्रकाश}} 2\text{A} + \text{CH}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O}$$
  हरे पादपों में $\text{H}_2\text{O}$ हाइड्रोजन दाता है जो ऑक्सीकृत होकर $\text{O}_2$ देता है। सल्फर जीवाणुओं में $\text{H}_2\text{S}$ हाइड्रोजन दाता होता है, अतः ऑक्सीजन के स्थान पर सल्फर बनता है। वैन नील ने प्रतिपादित किया कि प्रकाश-संश्लेषण में मुक्त होने वाली $\text{O}_2$ जल से आती है, $\text{CO}_2$ से नहीं। 1941 में रूबेन, रैंडल और कामेन ने भारी समस्थानिक $^{18}\text{O}$ का प्रयोग करके इसे अकाट्य रूप से सिद्ध किया:
  $$6\text{CO}_2^{16} + 12\text{H}_2\text{O}^{18} \xrightarrow{\text{प्रकाश, वर्णक}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6^{16} + 6\text{H}_2\text{O}^{16} + 6\text{O}_2^{18}$$

पत्ती की पर्णमध्योतक (मीसोफिल) कोशिकाओं में प्रति कोशिका 20 से 100 हरितलवक पाए जाते हैं। हरितलवक में झिल्लीदार तंत्र और तरल पीठिका के मध्य स्पष्ट श्रम-विभाजन होता है:

पत्ती का हरा रंग किसी एक वर्णक के कारण नहीं होता, बल्कि चार प्रमुख वर्णकों के मिश्रण से बनता है, जिन्हें पेपर क्रोमैटोग्राफी द्वारा सुगमता से पृथक किया जा सकता है:

• क्लोरोफिल a ($\text{C}_{55}\text{H}_{72}\text{O}_5\text{N}_4\text{Mg}$): क्रोमैटोग्राम पर चमकीला अथवा नीला-हरा दिखाई देता है। यह मुख्य अभिक्रिया केंद्र वर्णक है जो प्रकाश ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करने में सक्षम है। इसके पोरफाइरिन वलय के तीसरे कार्बन पर मिथाइल ($-\text{CH}_3$) समूह होता है।
• क्लोरोफिल b ($\text{C}_{55}\text{H}_{70}\text{O}_6\text{N}_4\text{Mg}$): क्रोमैटोग्राम पर पीला-हरा दिखाई देता है। इसके तीसरे कार्बन पर फॉर्मिल ($-\text{CHO}$) समूह होता है। यह एक सहायक वर्णक है जो अतिरिक्त तरंगदैर्घ्य को अवशोषित कर ऊर्जा क्लोरोफिल a को स्थानांतरित करता है।
• जैंथोफिल ($\text{C}_{40}\text{H}_{56}\text{O}_2$): ऑक्सीजनयुक्त कैरोटीनॉयड (जैसे ल्यूटिन) जो क्रोमैटोग्राम पर पीले रंग के रूप में दिखाई देते हैं।
• कैरोटीनॉयड ($\text{C}_{40}\text{H}_{56}$): शुद्ध हाइड्रोकार्बन (जैसे $\beta$-कैरोटीन) जो क्रोमैटोग्राम पर पीले से नारंगी दिखाई देते हैं। ये अनिवार्य ढाल वर्णक (Shield Pigments) हैं जो क्लोरोफिल a को अत्यधिक प्रकाश में प्रकाश-ऑक्सीकरण (सोलराइजेशन) से बचाते हैं।

प्रकाश तरंगदैर्घ्य के साथ वर्णकों की अंतःक्रिया को दो प्रमुख आलेखों द्वारा समझा जाता है:

• अवशोषण वर्णक्रम (Absorption Spectrum): विभिन्न तरंगदैर्घ्य (400–700 nm, PAR) पर किसी शुद्ध वर्णक द्वारा अवशोषित प्रकाश की मात्रा का आलेख। क्लोरोफिल a मुख्य रूप से नीले क्षेत्र (~430 nm) और लाल क्षेत्र (~660 nm) में अधिकतम अवशोषण प्रदर्शित करता है।
• क्रिया वर्णक्रम (Action Spectrum): प्रकाश के विभिन्न तरंगदैर्घ्य पर प्रकाश-संश्लेषण की वास्तविक दर (ऑक्सीजन विमोचन की दर) को प्रदर्शित करने वाला आलेख।
• आलेखों का अतिव्यापन: क्लोरोफिल a का अवशोषण वर्णक्रम प्रकाश-संश्लेषण के क्रिया वर्णक्रम के साथ लगभग पूर्णतः संपाती (overlap) होता है। यह सिद्ध करता है कि क्लोरोफिल a ही प्रकाश-संश्लेषण का मुख्य वर्णक है। मध्यवर्ती तरंगदैर्घ्य (450–600 nm) पर सहायक वर्णक ऊर्जा अवशोषित कर क्लोरोफिल a को प्रदान करते हैं।

थायलेकॉइड झिल्ली में स्थित प्रत्येक फोटोसिस्टम दो भागों में विभाजित होता है:

• अभिक्रिया केंद्र (Reaction Centre): एक विशिष्ट क्लोरोफिल a अणु युग्म से बनता है। फोटोसिस्टम-II (PS II) का अभिक्रिया केंद्र $P_{680}$ (680 nm पर अधिकतम अवशोषण) तथा फोटोसिस्टम-I (PS I) का अभिक्रिया केंद्र $P_{700}$ (700 nm पर अधिकतम अवशोषण) कहलाता है।
• एंटीना या प्रकाश संग्रहण संकुल (LHC): सैकड़ों (200–400) सहायक वर्णक प्रोटीनों से आबद्ध होकर एंटीना की भांति कार्य करते हैं। ये फोटॉनों को अवशोषित कर अनुनाद ऊर्जा स्थानांतरण द्वारा ऊर्जा को केंद्रीय अभिक्रिया केंद्र तक पहुंचाते हैं।

प्रकाशिक अभिक्रिया थायलेकॉइड झिल्ली पर संपन्न होती है। रेडॉक्स विभव पैमाने पर इलेक्ट्रॉन परिवहन का पथ अंग्रेजी के 'Z' अक्षर जैसा दिखाई देता है:

1. PS II ($P_{680}$) का उत्तेजन: 680 nm की लाल किरणें अवशोषित कर $P_{680}$ उत्तेजित होता है और उच्च ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन त्यागता है।
2. प्राथमिक इलेक्ट्रॉन ग्राही: उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों को PS II का प्राथमिक ग्राही फियोफाइटिन (Pheophytin) ग्रहण करता है (यह मैग्नीशियम रहित क्लोरोफिल अणु है)।
3. अधोगामी इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला: फियोफाइटिन से इलेक्ट्रॉन क्रमिक रूप से आगे बढ़ते हैं:
   • प्लास्टोक्विनोन (PQ): लिपिड-घुलनशील वाहक जो स्ट्रोमा से दो प्रोटॉन लेकर अपचयित प्लास्टोक्विनोल ($\text{PQH}_2$) बनाता है।
   • साइटोक्रोम $b_6f$ संकुल: $\text{PQH}_2$ से इलेक्ट्रॉन लेकर प्रोटॉनों को थायलेकॉइड अवकाशिका में मुक्त करता है।
   • प्लास्टोसायनिन (PC): तांबा-युक्त जल-घुलनशील वाहक जो इलेक्ट्रॉन सीधे PS I के ऑक्सीकृत $P_{700}^+$ केंद्र को प्रदान करता है।
4. PS I ($P_{700}$) का उत्तेजन: उसी समय PS I 700 nm प्रकाश अवशोषित कर इलेक्ट्रॉन प्राथमिक ग्राही $A_0$ को देता है। PC से आए इलेक्ट्रॉन $P_{700}$ की रिक्ति को भरते हैं।
5. $\text{NADP}^+$ का अपचयन: फेरेडॉक्सिन (Fd) से इलेक्ट्रॉन थायलेकॉइड के पीठिका पृष्ठ पर स्थित FNR (फेरेडॉक्सिन-$\text{NADP}^+$ रिडक्टेस) तक पहुंचते हैं, जो स्ट्रोमा के प्रोटॉन का उपयोग कर $\text{NADP}^+$ को $\text{NADPH} + H^+$ में अपचयित कर देता है:
   $$\text{NADP}^+ + 2e^- + 2H^+_{\text{पीठिका}} \xrightarrow{\text{FNR}} \text{NADPH} + H^+$$

इलेक्ट्रॉन त्यागने के बाद $P_{680}^+$ अत्यंत प्रबल ऑक्सीकारक बन जाता है (+1.25 V)। इस इलेक्ट्रॉन रिक्ति को भरने हेतु थायलेकॉइड झिल्ली की अवकाशिका की ओर स्थित ऑक्सीजन-उत्सर्जक संकुल (OEC) जल का विखंडन करता है:

• 1 अणु ऑक्सीजन विमोचन हेतु जल के 2 अणुओं का टूटना और 4 इलेक्ट्रॉनों व 4 प्रोटॉनों का उत्पन्न होना आवश्यक है।
• उत्पन्न प्रोटॉन अवकाशिका में संचित होकर रसोपरासरणी प्रवणता का निर्माण करते हैं।

1961 में ब्रिटिश वैज्ञानिक पीटर मिशेल ने थायलेकॉइड झिल्ली के आर-पार ATP निर्माण की क्रियाविधि रसोपरासरणी परिकल्पना द्वारा समझाई (नोबल पुरस्कार 1978)। माइटोकॉन्ड्रिया की भांति हरितलवक में भी ATP का संश्लेषण प्रोटॉन विद्युत-रासायनिक प्रवणता ($\Delta\mu_{H^+}$) के टूटने से होता है। अंतर केवल इतना है कि हरितलवक में प्रोटॉन झिल्ली के बाहर नहीं, बल्कि थायलेकॉइड अवकाशिका (Lumen) के भीतर संचित होते हैं।

1. अवकाशिका में जल का प्रकाश-अपघटन: जल विखंडन संकुल (OEC) थायलेकॉइड झिल्ली के आंतरिक (अवकाशिका) पृष्ठ पर स्थित होता है, जिससे जल के अपघटन से उत्पन्न प्रोटॉन सीधे अवकाशिका में मुक्त होते हैं।
2. प्लास्टोक्विनोन (PQ) द्वारा प्रोटॉन स्थानांतरण: प्लास्टोक्विनोन केवल इलेक्ट्रॉन नहीं, बल्कि हाइड्रोजन वाहक है। PS II से इलेक्ट्रॉन लेते समय यह पीठिका (स्ट्रोमा) से दो प्रोटॉन लेता है और साइटोक्रोम $b_6f$ को इलेक्ट्रॉन देते समय इन प्रोटॉनों को अवकाशिका में धकेल देता है।
3. पीठिका में $\text{NADP}^+$ रिडक्टेस द्वारा प्रोटॉन उपयोग: FNR एंजाइम पीठिका पृष्ठ पर होता है जो $\text{NADP}^+$ के अपचयन में पीठिका के मुक्त प्रोटॉनों का उपभोग करता है, जिससे पीठिका में प्रोटॉन और कम हो जाते हैं।

अवकाशिका में प्रोटॉन सांद्रता अत्यधिक बढ़ने से अवकाशिका अम्लीय (pH ~5.0) तथा पीठिका क्षारीय (pH ~8.0) हो जाती है। यह 3 pH इकाई का अंतर (1000 गुना प्रवणता) प्रोटॉन प्रेरक बल (PMF) उत्पन्न करता है:

• $CF_0$ भाग: थायलेकॉइड झिल्ली में धंसा एक हाइड्रोफोबिक प्रोटॉन चैनल है जिसके माध्यम से प्रोटॉन सुसाध्य विसरण द्वारा पीठिका में लौटते हैं।
• $CF_1$ शीर्ष: पीठिका की ओर उभरा उत्प्रेरकी सिरा है। जब 3 से 4 प्रोटॉन $CF_0$ से होकर गुजरते हैं, तो $CF_1$ के संरचनात्मक घूर्णन से ADP और अकार्बनिक फॉस्फेट मिलकर ATP का संश्लेषण करते हैं:
  $$\text{ADP} + \text{P}_i \xrightarrow{CF_0-CF_1\text{ ATP Synthase}} \text{ATP}$$

प्रकाशिक अभिक्रिया में निर्मित ATP एवं NADPH का उपयोग करके हरितलवक की पीठिका में $\text{CO}_2$ के अपचयन द्वारा कार्बोहाइड्रेट बनने के चक्रीय पथ को केल्विन चक्र ($C_3$ पथ) कहते हैं। मेल्विन केल्विन और उनके सहयोगियों ने रेडियोधर्मी समस्थानिक $^{14}\text{C}$ और शैवाल (Chlorella) का उपयोग करके इसकी खोज की (नोबेल पुरस्कार 1961)।

1. चरण 1: कार्बोक्सीलीकरण (Carboxylation):
   • प्राथमिक $\text{CO}_2$ ग्राही 5-कार्बन युक्त शर्करा राइबुलोज-1,5-बिसफॉस्फेट (RuBP) है।
   • रुबिस्को (RuBisCO) एंजाइम की उपस्थिति में $\text{CO}_2$ व जल RuBP से जुड़कर एक अस्थायी 6C यौगिक बनाते हैं, जो तुरंत टूटकर 3-फॉस्फोग्लिसरिक अम्ल (3-PGA, 3C) के 2 अणु बनाता है:
     $$\text{RuBP (5C)} + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{RuBisCO}} 2 \times \text{3-PGA (3C)}$$
   • प्रथम स्थायी उत्पाद 3-कार्बन अम्ल होने के कारण इसे $C_3$ पथ कहते हैं।
2. चरण 2: अपचयन (Reduction):
   • 3-PGA एंजाइमी अभिक्रियाओं द्वारा अपचयित होकर ट्रायोज़ फॉस्फेट (G3P / PGAL) में बदलता है।
   • प्रत्येक $\text{CO}_2$ अणु के स्थिरीकरण हेतु 2 अणु ATP तथा 2 अणु NADPH व्यय होते हैं।
   • 6 $\text{CO}_2$ के चक्रण से 12 ट्रायोज़ फॉस्फेट बनते हैं, जिनमें से 2 अणु चक्र से बाहर निकलकर ग्लूकोज बनाते हैं।
3. चरण 3: RuBP का पुनरुद्भवन (Regeneration):
   • चक्र को अनवरत चलाने हेतु शेष 10 ट्रायोज़ फॉस्फेट जटिल शर्करा पुनर्गठन द्वारा 6 RuBP अणुओं का पुनर्निर्माण करते हैं।
   • प्रत्येक RuBP के पुनरुद्भवन में 1 अणु ATP व्यय होता है।

चूंकि एक चक्र में केवल 1 $\text{CO}_2$ स्थिर होता है, अतः 1 ग्लूकोज (6C) बनाने हेतु केल्विन चक्र के 6 चक्र अनिवार्य हैं:

उष्णकटिबंधीय शुष्क क्षेत्रों के पौधों (जैसे मक्का, गन्ना, ज्वार) में प्रकाश-श्वसन की हानि से बचने हेतु $C_4$ पथ या हैच एवं स्लैक चक्र (1966) पाया जाता है। इनकी पत्तियों में विशेष क्रैंज़ शारीर पाया जाता है:

• पूल-आच्छद कोशिकाएं (Bundle Sheath Cells): संवहन बंडल के चारों ओर सघन छल्ले (माला) के रूप में विन्यस्त होती हैं। इनकी भित्तियां मोटी व गैसों हेतु अप्रवेश्य होती हैं, अंतरकोशिकीय स्थान नहीं होते, तथा इनमें अग्रैनल हरितलवक प्रचुर रुबिस्को सहित पाए जाते हैं (PEPcase अनुपस्थित)।
• पर्णमध्योतक कोशिकाएं (Mesophyll Cells): ढीली विन्यस्त होती हैं और इनमें ग्रैनलयुक्त हरितलवक होते हैं। इनमें प्रचुर PEP कार्बोक्सिलेस (PEPcase) होता है, किंतु रुबिस्को पूरी तरह अनुपस्थित होता है। दोनों कोशिकाएं प्लाज्मोडेस्मेटा द्वारा जुड़ी रहती हैं।

1. पर्णमध्योतक में प्राथमिक स्थिरीकरण: प्राथमिक ग्राही 3-कार्बन यौगिक फॉस्फोइनोलपाइरूवेट (PEP) है। PEPcase एंजाइम द्वारा $\text{HCO}_3^-$ जुड़कर प्रथम 4-कार्बन अम्ल ऑक्जेलोएसिटिक अम्ल (OAA, 4C) बनाता है:
   $$\text{PEP (3C)} + \text{HCO}_3^- \xrightarrow{\text{PEPcase}} \text{OAA (4C)}$$
   नोट: PEPcase की $\text{CO}_2$ के प्रति बंधुता रुबिस्को से अत्यधिक अधिक है और इसमें कोई ऑक्सीजिनेज सक्रियता नहीं होती।
2. स्थानांतरण व विकार्बोक्सीलीकरण: OAA मैलिक अम्ल में बदलकर पूल-आच्छद कोशिकाओं में भेजा जाता है, जहां यह टूटकर पाइरूविक अम्ल (3C) और $\text{CO}_2$ मुक्त करता है।
3. रुबिस्को द्वारा केल्विन चक्र: पूल-आच्छद में मुक्त यह $\text{CO}_2$ रुबिस्को के चारों ओर स्थानीय सांद्रता बहुत बढ़ा देता है, जिससे रुबिस्को केवल कार्बोक्सिलेस के रूप में कार्य करता है और शर्करा बनाता है।
4. PEP का पुनरुद्भवन: पाइरूवेट वापस पर्णमध्योतक में आकर 2 ATP के तुल्य ऊर्जा खर्च कर पुनः PEP बनाता है। अतः C4 पादपों में 1 ग्लूकोज हेतु 30 ATP एवं 12 NADPH व्यय होते हैं।

C3 पादपों में रुबिस्को एक दोहरे स्वभाव वाला एंजाइम है। उच्च ताप व कम $\text{CO}_2$ में यह ऑक्सीजन से जुड़ता है:

• अभिक्रिया: $\text{RuBP (5C)} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{RuBisCO}} \text{3-PGA (3C)} + \text{2-फॉस्फोग्लाइकोलेट (2C)}$।
• फॉस्फोग्लाइकोलेट को पुनः प्राप्त करने हेतु तीन अंगक मिलकर कार्य करते हैं: हरितलवक $\to$ परऑक्सीसोम $\to$ माइटोकॉन्ड्रिया।
• व्यर्थ प्रक्रिया: इसमें न तो ATP बनता है, न शर्करा; उल्टे ऊर्जा नष्ट होती है और स्थिर कार्बन $\text{CO}_2$ के रूप में उड़ जाता है। C3 पादपों की उत्पादकता 25% घट जाती है। C4 पादपों में प्रकाश-श्वसन शून्य होता है।

• ब्लैकमैन का सीमाकारी कारकों का नियम (1905): "जब कोई कार्यिकीय प्रक्रिया कई पृथक कारकों द्वारा प्रभावित होती है, तो प्रक्रिया की दर उस कारक द्वारा सीमित होती है जो अपने न्यूनतम मान के निकट होता है।"
• कार्बन डाइऑक्साइड: वायुमंडल में $\text{CO}_2$ की मात्रा केवल 0.03–0.04% है, अतः यह मुख्य सीमाकारी कारक है। C3 पादप ~450 ppm पर संतृप्त होते हैं, जिसका उपयोग ग्रीनहाउस में पैदावार बढ़ाने हेतु किया जाता है।
• प्रकाश: पूर्ण सूर्य के प्रकाश की केवल 10% तीव्रता पर ही प्रकाश संतृप्ति हो जाती है। अत्यधिक प्रकाश में क्लोरोफिल का सोलराइजेशन (प्रकाश-ऑक्सीकरण) हो जाता है।
• तापमान: अप्रकाशिक अभिक्रिया एंजाइमी होने के कारण ताप-संवेदनशील होती है। C4 पादपों का अनुकूल ताप अधिक (30°–45°C) तथा C3 पादपों का कम (20°–25°C) होता है।
• जल: जल की कमी से रंध्र बंद हो जाते हैं, जिससे $\text{CO}_2$ की उपलब्धता घट जाती है और पत्तियां मुरझाने से प्रकाश-संश्लेषण गिर जाता है।