Каква реакция е фотосинтезата?

Без поредицата от химични реакции, известни общо като фотосинтеза, нямаше да сте тук, нито някой друг, когото познавате. Това може да ви се стори странно, ако случайно знаете, че фотосинтезата е изключително за растения и няколко микроорганизма, и че нито една клетка в тялото ви или тази на което и да е животно не разполага с апарат за осъществяване на този елегантен асортимент от реакции. Какво дава?

Казано по-просто, животът на растенията и животните са почти напълно симбиотични, което означава, че начинът, по който растенията изпълняват своите метаболитни нужди, е от изключителна полза за животните и обратно. С най-прости думи, животните приемат кислород (O₂) за получаване на енергия от не газообразни източници на въглерод и отделяне на газ от въглероден диоксид (CO₂) и вода (H₂O) в процеса, докато растенията използват CO₂ и Н₂O за приготвяне на храна и освобождаване O₂ към околната среда. Освен това в момента около 87% от енергията в света се извлича от изгарянето на изкопаеми горива, които в крайна сметка също са продукти на фотосинтезата.

Понякога се казва, че „фотосинтезата е за растенията това, което дишането е за животните“, но това е погрешна аналогия, тъй като растенията използват и двете, докато животните използват само дишането. Помислете за фотосинтезата като начина, по който растенията консумират и усвояват въглерода, разчитайки на светлината, а не на движението и акта на ядене, за да поставят въглерода във форма, която малките клетъчни машини могат да използват.

Фотосинтезата, въпреки че не се използва директно от значителна част от живите същества, може да бъде разумно се разглежда като един химичен процес, отговорен за осигуряване на продължаващото съществуване на живот на Самата Земя. Фотосинтетичните клетки приемат CO₂ и Н₂O, събрани от организма от околната среда и използват енергията от слънчевата светлина за захранване на синтеза на глюкоза (C₆З.₁₂О₆), освобождавайки O₂ като отпадъчен продукт. След това тази глюкоза се обработва от различни клетки в растението по същия начин, по който глюкозата се използва от животното клетки: Подлага се на дишане, за да освободи енергия под формата на аденозин трифосфат (АТФ) и освобождава CO₂ като отпадъчен продукт. (Фитопланктонът и цианобактериите също използват фотосинтезата, но за целите на тази дискусия организмите, съдържащи фотосинтетични клетки, се наричат ​​по принцип „растения“.)

Организмите, които използват фотосинтеза, за да произвеждат глюкоза, се наричат ​​автотрофи, което в превод от гръцки означава „самостоятелна храна“. Тоест, растенията не разчитат на други организми директно за храна. Животните, от друга страна, са хетеротрофи („друга храна“), защото трябва да поглъщат въглерод от други живи източници, за да растат и да останат живи.

Фотосинтезата се счита за редокс реакция. Redox е съкращение от „редукция-окисляване“, което описва какво се случва на атомно ниво в различните биохимични реакции. Пълната, балансирана формула за поредицата от реакции, наречена фотосинтеза - компонентите на която ще бъдат изследвани скоро - е:

6Н₂O + светлина + 6CO₂ → C₆З.₁₂О₆ + 6O₂

Можете сами да проверите, че броят на всеки тип атом е еднакъв от всяка страна на стрелката: Шест въглеродни атома, 12 водородни атома и 18 кислородни атома.

Редукцията е отстраняване на електрони от атом или молекула, докато окисляването е получаване на електрони. Съответно съединенията, които лесно дават електрони на други съединения, се наричат ​​окислители, докато тези, които са склонни да получават електрони, се наричат ​​редуциращи агенти. Редукционните реакции обикновено включват добавяне на водород към съединението, което се редуцира.

Първата стъпка във фотосинтезата може да бъде обобщена като „нека бъде светлина“. Слънчевата светлина удря повърхността на растенията, задействайки целия процес. Вече може да подозирате защо много растения изглеждат по този начин: Голяма част от повърхността под формата на листа и клонове, които ги поддържат, което изглежда ненужно (макар и привлекателно), ако не знаете защо тези организми са структурирани насам. "Целта" на растението е да изложи колкото може повече на себе си слънчева светлина - като направи най-краткото, най-малкото растения в която и да е екосистема, по-скоро като рунт на животински боклук, тъй като и двамата се борят да получат достатъчно енергия. Листата, не е изненадващо, са изключително плътни във фотосинтетичните клетки.

Тези клетки са богати на организми, наречени хлоропласти, където се извършва работата по фотосинтеза, точно както митохондриите са органелите, в които се появява дишането. Всъщност хлоропластите и митохондриите са структурно доста сходни, факт, който, както практически всичко в света на биологията, може могат да бъдат проследени до чудесата на еволюцията.) Хлоропластите съдържат специализирани пигменти, които оптимално абсорбират светлинната енергия, вместо да отразяват то. Това, което се отразява, а не се абсорбира, се намира в диапазон от дължини на вълните, което се интерпретира от човешкото око и мозък като определен цвят (намек: Започва с "g"). Основният пигмент, използван за тази цел, е известен като хлорофил.

Хлоропластите са заобиколени от двойна плазмена мембрана, какъвто е случаят с всички живи клетки, както и с органелите, които те съдържат. При растенията обаче съществува трета мембрана вътре в плазмения двуслой, наречена тилакоидна мембрана. Тази мембрана е сгъната много широко, така че дисковидните структури, подредени една върху друга, дават резултат, за разлика от пакет ментови джобове. Тези тилакоидни структури съдържат хлорофил. Пространството между вътрешната мембрана на хлоропласта и тилакоидната мембрана се нарича строма.

Фотосинтезата се разделя на набор от светлинно зависими и независими от светлината реакции, обикновено наричани светлинни и тъмни реакции и описани подробно по-късно. Както може би сте заключили, светлинните реакции се появяват първо.

Когато светлината от слънцето удари хлорофила и други пигменти вътре в тилакоидите, той по същество избухва електрони и протони от атомите в хлорофила и ги издига на по-високо енергийно ниво, което ги прави по-свободни мигрират. Електроните се пренасочват към електроннотранспортните верижни реакции, които се разгръщат върху самата тилакоидна мембрана. Тук електронните акцептори като NADP получават част от тези електрони, които също се използват за задвижване на синтеза на АТФ. АТФ по същество е за клетките какво представляват доларите за финансовата система на САЩ: Това е „енергийната валута“, с която в крайна сметка се осъществяват практически всички метаболитни процеси.

Докато това се случва, слънчевите къпащи молекули на хлорофила изведнъж са се оказали лишени от електрони. Това е мястото, където водата влиза в битката и допринася за заместващи електрони под формата на водород, като по този начин намалява хлорофила. С липсата на водород, това, което някога е било вода, сега е молекулярен кислород - O₂. Този кислород дифузира изцяло от клетката и от растението и някои от него са успели да намерят своя път в белите ви дробове точно в тази секунда.

Фотосинтезата се нарича ендергонична реакция, защото изисква влагане на енергия, за да продължи. Слънцето е крайният източник на цялата енергия на планетата (факт, може би разбран на някакво ниво от различните култури от древността, които са считали слънцето за божество само по себе си) и растенията са първите, които го прихващат продуктивна употреба. Без тази енергия нямаше как въглеродният диоксид, малка, проста молекула, да се превърне в глюкоза, значително по-голяма и по-сложна молекула. Представете си как се изкачвате нагоре по стълба, докато по някакъв начин не изразходвате никаква енергия и можете да видите проблема, пред който са изправени растенията.

В аритметично изражение ендергоничните реакции са тези, при които продуктите имат по-високо енергийно ниво от реагентите. Обратното на тези реакции, енергийно погледнато, се наричат ​​ексергонични, при които продуктите имат по-ниска енергия от реакциите и по този начин енергията се освобождава по време на реакцията. (Това често е под формата на топлина - отново става ли ви по-топло или ви става по-студено с упражнения?) Това се изразява чрез свободната енергия ΔG ° на реакцията, която за фотосинтеза е +479 kJ ⋅ мол^-1 или 479 джаула енергия на мол. Положителният знак показва ендотермична реакция, докато отрицателният знак показва екзотермичен процес.

При светлинните реакции водата се разгражда от слънчевата светлина, докато при тъмните реакции протоните (H⁺) и електрони (напр⁻) освободените при светлината реакции се използват за събиране на глюкоза и други въглехидрати от CO₂.

Светлинните реакции се дават по формулата:

2Н₂O + светлина → O₂ + 4Н⁺ + 4e⁻(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol⁻¹)

и тъмните реакции се дават от:

CO₂ + 4Н⁺ + 4e⁻ → CH₂O + H₂O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol⁻¹)

Като цяло това дава пълното уравнение, разкрито по-горе:

З.₂O + светлина + CO₂ → CH₂O + O₂(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol⁻¹)

Можете да видите, че и двата набора реакции са ендергонични, а светлинните реакции са по-силни.

Енергийното свързване в живите системи означава използване на енергия, предоставена от един процес, за задвижване на други процеси, които иначе не биха се осъществили. Самото общество работи по този начин: Предприятията често трябва да заемат големи суми отпред, за да излязат от но в крайна сметка някои от тези предприятия стават изключително печеливши и могат да предоставят средства за други стартиращи фирми фирми.

Фотосинтезата представлява добър пример за енергийно свързване, тъй като енергията от слънчевата светлина се свързва с реакции в хлоропластите, така че реакциите могат да се развият. Растението в крайна сметка възнаграждава глобалния въглероден цикъл чрез синтезиране на глюкоза и други въглеродни съединения, които могат да бъдат свързани с други реакции, веднага или в бъдеще. Например, пшеничните растения произвеждат нишесте, използвано по целия свят като основен източник на храни за хората и другите животни. Но не цялата глюкоза, произведена от растенията, се съхранява; част от него се насочва към различни части на растителните клетки, където енергията, освободена при гликолиза, в крайна сметка се свързва с реакции в растителните митохондрии, които водят до образуването на АТФ. Докато растенията представляват дъното на хранителната верига и са широко разглеждани като пасивна енергия и кислород донори, те имат собствени метаболитни нужди, като трябва да растат по-големи и да се възпроизвеждат точно както другите организми.

Освен това, учениците често имат проблеми да се научат да балансират химичните реакции, ако те не са осигурени в балансирана форма. В резултат на това по време на тяхното бърникане учениците могат да се изкушат да променят стойностите на индексите в молекулите в реакцията, за да постигнат балансиран резултат. Това объркване може да произтича от знанието, че е допустимо да се променят числата пред молекулите, за да се балансират реакциите. Промяната на индекса на която и да е молекула изобщо превръща тази молекула в различна молекула. Например, промяна на O₂ до О₃ не просто добавя 50 процента повече кислород по отношение на масата; той превръща кислородния газ в озон, който не би участвал в изследваната реакция по подобен начин.