Jaký druh reakce je fotosyntéza?

Bez řady chemických reakcí kolektivně známých jako fotosyntéza byste tu nebyli a nikdo jiný, koho znáte. To by vás mohlo považovat za podivné tvrzení, pokud víte, že fotosyntéza je výlučná pro rostliny a několik mikroorganismů, a že ani jedna buňka ve vašem těle ani buňka žádného zvířete nemá aparát k provedení tohoto elegantního sortimentu reakcí. Co dává?

Zjednodušeně řečeno, život rostlin a život zvířat jsou téměř dokonale symbiotické, což znamená, že způsob, jakým rostliny plní své metabolické potřeby, je pro zvířata nejvyšším přínosem a naopak. Jednoduše řečeno, zvířata přijímají plynný kyslík (O₂) získávat energii z jiných než plynných zdrojů uhlíku a vylučovat plynný oxid uhličitý (CO₂) a voda (H₂O) v procesu, zatímco rostliny používají CO₂ a H₂O připravit jídlo a uvolnit O₂ do životního prostředí. Kromě toho asi 87 procent světové energie v současnosti pochází ze spalování fosilních paliv, která jsou nakonec také produkty fotosyntézy.

Někdy se říká, že „fotosyntéza je pro rostliny to, co dýchání pro zvířata“, ale toto je chybná analogie, protože rostliny využívají obojí, zatímco zvířata používají pouze dýchání. Přemýšlejte o fotosyntéze jako o tom, jak rostliny konzumují a tráví uhlík. Spoléhejte se spíše na světlo než na pohyb a na to, že budete jíst uhlík ve formě, kterou mohou používat malé celulární stroje.

Fotosyntéza, i když ji přímo nepoužívá významná část živých věcí, může být lze rozumně považovat za jeden chemický proces odpovědný za zajištění pokračující existence života Země sama. Fotosyntetické buňky přijímají CO₂ a H₂O shromážděný organismem z prostředí a využívající energii ze slunečního světla k podpoře syntézy glukózy (C₆H₁₂Ó₆), uvolňující O₂ jako odpadní produkt. Tato glukóza je poté zpracována různými buňkami v rostlině stejným způsobem, jako je glukóza používána zvířetem buňky: Prochází dýcháním, aby uvolnilo energii ve formě adenosintrifosfátu (ATP) a uvolnilo se CO₂ jako odpadní produkt. (Fytoplankton a sinice také využívají fotosyntézu, ale pro účely této diskuse se organismy obsahující fotosyntetické buňky obecně označují jako „rostliny“.)

Organismy, které k výrobě glukózy používají fotosyntézu, se nazývají autotrofy, což se volně překládá z řečtiny na „vlastní jídlo“. To znamená, že rostliny se při jídle nespoléhají přímo na jiné organismy. Zvířata jsou na druhé straně heterotrofní („jiná potrava“), protože musí přijímat uhlík z jiných živých zdrojů, aby mohli růst a zůstat naživu.

Fotosyntéza je považována za redoxní reakci. Redox je zkratka pro „redukční-oxidace“, která popisuje, co se děje na atomové úrovni v různých biochemických reakcích. Kompletní, vyvážený vzorec pro sérii reakcí zvaných fotosyntéza - jejichž složky budou brzy prozkoumány - je:

6H₂O + světlo + 6CO₂ → C.₆H₁₂Ó₆ + 6O₂

Sami si můžete ověřit, že počet jednotlivých typů atomů je na každé straně šipky stejný: Šest atomů uhlíku, 12 atomů vodíku a 18 atomů kyslíku.

Redukce je odstranění elektronů z atomu nebo molekuly, zatímco oxidace je získání elektronů. Sloučeniny, které snadno poskytují elektrony jiným sloučeninám, se nazývají oxidační činidla, zatímco sloučeniny, které mají tendenci získávat elektrony, se nazývají redukční činidla. Redoxní reakce obvykle zahrnují přidání vodíku ke sloučenině, která se redukuje.

První krok fotosyntézy lze shrnout jako „nechť je světlo“. Sluneční světlo dopadá na povrch rostlin a uvádí celý proces do pohybu. Možná už máte podezření, proč mnoho rostlin vypadá tak, jak vypadají: Velká plocha povrchu ve formě listů a větve, které je podporují a které se zdají zbytečné (i když atraktivní), pokud nevíte, proč jsou tyto organismy strukturovány tudy. „Cílem“ rostliny je vystavit co nejvíce sebe slunečnímu světlu - co nejkratší a nejmenší Rostliny v jakémkoli ekosystému mají spíše rádi runy zvířecích steliv, protože se oba snaží dostatek energie. Není divu, že listy jsou ve fotosyntetických buňkách extrémně husté.

Tyto buňky jsou bohaté na organismy zvané chloroplasty, což je místo, kde se provádí práce fotosyntézy, stejně jako mitochondrie jsou organely, ve kterých dochází k dýchání. Ve skutečnosti jsou chloroplasty a mitochondrie strukturálně docela podobné, což je skutečnost, která, stejně jako prakticky všechno ve světě biologie, může lze vysledovat zázraky evoluce.) Chloroplasty obsahují speciální pigmenty, které optimálně absorbují světelnou energii, spíše než odrážejí to. To, co se odráží spíše než absorbuje, se stane v rozsahu vlnových délek, které jsou lidským okem a mozkem interpretovány jako určitá barva (nápověda: Začíná to na „g“). Hlavní pigment používaný pro tento účel je známý jako chlorofyl.

Chloroplasty jsou obklopeny dvojitou plazmatickou membránou, jako je tomu u všech živých buněk i organel, které obsahují. V rostlinách však uvnitř plazmové dvojvrstvy existuje třetí membrána, která se nazývá tylakoidní membrána. Tato membrána je složena velmi rozsáhle, takže výsledkem jsou disclike struktury naskládané na sebe, na rozdíl od balíčku dechových mincoven. Tyto tylakoidní struktury obsahují chlorofyl. Prostor mezi vnitřní membránou chloroplastů a tylakoidní membránou se nazývá stroma.

Fotosyntéza se dělí na sadu reakcí závislých na světle a na světle, které se obvykle nazývají reakce světla a tmy a jsou podrobně popsány později. Jak jste možná dospěli k závěru, světelné reakce se objevují jako první.

Když světlo ze slunce dopadne na chlorofyl a další pigmenty uvnitř tylakoidů, v podstatě se uvolní elektrony a protony z atomů v chlorofylu a zvyšuje je na vyšší energetickou hladinu, čímž se uvolňují migrovat. Elektrony jsou odkloněny do elektronových transportních řetězových reakcí, které se odvíjejí na samotné tylakoidní membráně. Zde přijímají elektronové akceptory, jako je NADP, některé z těchto elektronů, které se také používají k řízení syntézy ATP. ATP je v zásadě pro buňky to, co jsou dolary pro finanční systém USA: Je to „energetická měna“, pomocí které se nakonec provádějí prakticky všechny metabolické procesy.

Zatímco se to děje, molekuly chlorofylu, které se koupají na slunci, najednou postrádají elektrony. To je místo, kde voda vstupuje do boje a přispívá náhradními elektrony ve formě vodíku, čímž snižuje chlorofyl. Když zmizel jeho vodík, to, co kdysi bylo vodou, je nyní molekulární kyslík - O₂. Tento kyslík difunduje ven z buňky a ven z rostliny úplně a některým z nich se podařilo najít si cestu do svých plic přesně v této vteřině.

Fotosyntéza se nazývá endergonická reakce, protože vyžaduje vstup energie, aby mohla pokračovat. Slunce je konečným zdrojem veškeré energie na planetě (což je fakt, který možná na určité úrovni chápou různí kultury starověku, které považovaly slunce za božstvo samo o sobě) a rostliny jej jako první zachytily produktivní využití. Bez této energie by neexistoval způsob, jak by se oxid uhličitý, malá jednoduchá molekula, mohl převést na glukózu, podstatně větší a složitější molekulu. Představte si, že jdete po schodech a přitom nějak nevynakládáte žádnou energii, a vidíte problém, kterému čelí rostliny.

Z aritmetického hlediska jsou endergonické reakce reakce, při nichž mají produkty vyšší energetickou hladinu než reaktanty. Opak těchto reakcí, energeticky vzato, se nazývá exergonický, kdy produkty mají nižší energii než reakce a energie se tak během reakce uvolňuje. (To je často ve formě tepla - opět se vám oteplí nebo vám při cvičení zchladne?) To je vyjádřeno jako volná energie ΔG ° reakce, která je pro fotosyntézu +479 kJ ⋅ mol^-1 nebo 479 joulů energie na mol. Kladné znaménko označuje endotermickou reakci, zatímco záporné znaménko označuje exotermický proces.

Při světelných reakcích se voda rozkládá slunečním zářením, zatímco při temných reakcích protony (H⁺) a elektrony (např⁻) uvolněné ve světelných reakcích se používají k sestavení glukózy a dalších sacharidů z CO₂.

Světelné reakce jsou dány vzorcem:

2H₂O + světlo → O.₂ + 4H⁺ + 4e⁻(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol⁻¹)

a temné reakce jsou dány:

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

Celkově to přináší úplnou rovnici odhalenou výše:

H₂O + světlo + CO₂ → CH₂O + O₂(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol⁻¹)

Vidíte, že obě sady reakcí jsou endergonické, světelné reakce silněji.

Energetická vazba v živých systémech znamená využití energie dostupné z jednoho procesu k řízení dalších procesů, které by jinak neproběhly. Samotná společnost funguje takto: Podniky si často musí vypůjčit velké sumy peněz předem, aby mohly vystoupit ale nakonec se některé z těchto podniků stanou vysoce ziskovými a mohou poskytnout finanční prostředky pro další zahájení podnikání společnosti.

Fotosyntéza představuje dobrý příklad energetické vazby, protože energie ze slunečního světla je spojena s reakcemi v chloroplastech, aby se reakce mohly rozvinout. Rostlina nakonec odmění globální uhlíkový cyklus syntézou glukózy a dalších sloučenin uhlíku, které mohou být okamžitě nebo v budoucnu spojeny s jinými reakcemi. Například rostliny pšenice produkují škrob, který se po celém světě používá jako hlavní zdroj potravy pro lidi a další zvířata. Ale ne všechna glukóza vyrobená rostlinami je uložena; část z nich postupuje do různých částí rostlinných buněk, kde je energie uvolněná při glykolýze nakonec spojena s reakcemi v mitochondriích rostlin, které vedou k tvorbě ATP. Zatímco rostliny představují spodní část potravinového řetězce a jsou obecně považovány za pasivní energii a kyslík dárci mají své vlastní metabolické potřeby, musí růst a růst stejně jako ostatní organismy.

Kromě toho mají studenti často potíže naučit se vyvažovat chemické reakce, pokud nejsou poskytovány ve vyvážené formě. Výsledkem je, že při jejich hraní mohou být studenti v pokušení změnit hodnoty indexů v molekulách v reakci, aby dosáhli vyváženého výsledku. Tento zmatek může pramenit z vědomí, že je povoleno měnit čísla před molekulami, aby se vyvážily reakce. Změnou dolního indexu jakékoli molekuly se tato molekula promění v úplně jinou molekulu. Například změna O₂ také₃ nepřidává pouze o 50 procent více kyslíku z hlediska hmotnosti; mění plynný kyslík na ozon, který by se vzdáleně podobným způsobem nepodílel na studované reakci.