Hvilken reaktion er fotosyntese?

Uden den række kemiske reaktioner, der kollektivt kaldes fotosyntese, ville du ikke være her, og heller ingen andre, du kender. Dette kan måske være et underligt krav, hvis du tilfældigvis ved, at fotosyntese er eksklusiv for planter og et par mikroorganismer, og at ikke en eneste celle i din krop eller noget dyr har apparatet til at udføre dette elegante udvalg af reaktioner. Hvad giver?

Enkelt sagt er planteliv og dyreliv næsten perfekt symbiotisk, hvilket betyder, at den måde, planter går på at opfylde deres metaboliske behov, er af største fordel for dyr og omvendt. I de enkleste termer optager dyr iltgas (O₂) for at udlede energi fra ikke-gasformige kulkilder og udskille kuldioxidgas (CO₂) og vand (H₂O) i processen, mens planter bruger CO₂ og H₂O for at lave mad og frigive O₂ til miljøet. Derudover stammer omkring 87 procent af verdens energi i øjeblikket fra afbrænding af fossile brændstoffer, som i sidste ende også er produkter fra fotosyntese.

Det siges undertiden, at "fotosyntese er for planter, hvad respiration er for dyr", men dette er en mangelfuld analogi, fordi planter bruger begge dele, mens dyr kun bruger respiration. Tænk på fotosyntese som den måde, planter forbruger og fordøjer kulstof på, afhænger af lys snarere end bevægelse og handlingen med at spise for at sætte kulstof i en form, som små cellulære maskiner kan bruge.

Fotosyntese, selvom den ikke bruges direkte af en betydelig del af levende ting, kan være med rimelighed betragtet som den eneste kemiske proces, der er ansvarlig for at sikre livets eksistens Jorden selv. Fotosyntetiske celler tager CO₂ og H₂O samlet af organismen fra miljøet og bruger energien fra sollys til at drive syntesen af ​​glukose (C₆H₁₂O₆) frigiver O₂ som affaldsprodukt. Denne glukose behandles derefter af forskellige celler i planten på samme måde som glukose bruges af dyr celler: Det gennemgår åndedræt for at frigive energi i form af adenosintrifosfat (ATP) og frigørelser CO₂ som affaldsprodukt. (Fytoplankton og cyanobakterier gør også brug af fotosyntese, men med henblik på denne diskussion kaldes organismer, der indeholder fotosyntetiske celler, generisk som "planter".)

Organismer, der bruger fotosyntese til fremstilling af glukose, kaldes autotrofer, hvilket oversættes løst fra græsk til "selvføde". Det vil sige, planter er ikke afhængige af andre organismer direkte til mad. Dyr er derimod heterotrofer ("anden mad"), fordi de skal indtage kulstof fra andre levende kilder for at vokse og forblive i live.

Fotosyntese betragtes som en redoxreaktion. Redox er en forkortelse for "reduktion-oxidation", som beskriver, hvad der sker på atomniveau i de forskellige biokemiske reaktioner. Den komplette, afbalancerede formel for reaktionsserien kaldet fotosyntese - hvis komponenter snart udforskes - er:

6H₂O + lys + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Du kan selv kontrollere, at antallet af hver type atom er det samme på hver side af pilen: Seks kulstofatomer, 12 brintatomer og 18 iltatomer.

Reduktion er fjernelse af elektroner fra et atom eller molekyle, mens oxidation er gevinsten af ​​elektroner. Tilsvarende kaldes forbindelser, der let giver elektroner til andre forbindelser, oxidationsmidler, mens de, der har tendens til at vinde elektroner, kaldes reduktionsmidler. Redoxreaktioner involverer normalt tilsætning af hydrogen til forbindelsen reduceres.

Det første trin i fotosyntese kan sammenfattes som "lad der være lys." Sollys rammer plantens overflade og sætter hele processen i bevægelse. Du har måske allerede mistanke om, hvorfor mange planter ser ud som de ser ud: Meget overfladeareal i form af blade og grene, der understøtter dem, der synes unødvendige (omend attraktive), hvis du ikke ved, hvorfor disse organismer er struktureret denne måde. "Målet" med planten er at udsætte så meget af sig selv for sollys som muligt - hvilket gør det korteste, mindste planter i ethvert økosystem snarere som runer fra et dyresand, idet de begge kæmper for at få nok energi. Blade er ikke overraskende ekstremt tætte i fotosyntetiske celler.

Disse celler er rige på organismer kaldet kloroplaster, og det er her, fotosyntese arbejdes, ligesom mitokondrier er de organeller, hvor åndedræt forekommer. Faktisk er kloroplaster og mitokondrier strukturelt ret ens, en kendsgerning, der som næsten alt i biologiens verden kan spores tilbage til evolutionens vidundere.) Kloroplaster indeholder specialiserede pigmenter, der optimalt absorberer lysenergi i stedet for at reflektere det. Det, der reflekteres snarere end absorberes, er tilfældigvis i en række bølgelængder, der fortolkes af det menneskelige øje og hjernen som værende en bestemt farve (tip: Det starter med "g"). Det vigtigste pigment, der anvendes til dette formål, er kendt som klorofyl.

Kloroplaster er omgivet af en dobbelt plasmamembran, som det er tilfældet med alle levende celler såvel som de organeller, de indeholder. I planter findes der imidlertid en tredje membran internt i plasmabaglaget, kaldet en thylakoidmembran. Denne membran foldes meget omfattende, så der ikke opnås mislik strukturer stablet oven på hinanden, ikke i modsætning til en pakke pustemynter. Disse thylakoidstrukturer indeholder klorofyl. Rummet mellem den indre chloroplastmembran og thylakoidmembranen kaldes stroma.

Fotosyntese er opdelt i et sæt lysafhængige og lysuafhængige reaktioner, der normalt kaldes de lyse og mørke reaktioner og beskrevet i detaljer senere. Som du måske har konkluderet, forekommer lysreaktionerne først.

Når lys fra solen rammer klorofyl og andre pigmenter inde i thylakoiderne, sprænger det i det væsentlige løs elektroner og protoner fra atomerne i klorofyl og hæver dem til et højere energiniveau, hvilket gør dem friere til migrere. Elektronerne omdirigeres til elektrontransportkædereaktionerne, der udfolder sig på selve thylakoidmembranen. Her modtager elektronacceptorer såsom NADP nogle af disse elektroner, som også bruges til at drive syntesen af ​​ATP. ATP er i det væsentlige for celler, hvad dollars er for det amerikanske finansielle system: Det er "energivalutaen", hvor næsten alle metaboliske processer i sidste ende udføres.

Mens dette sker, har de solbadende klorofylmolekyler pludselig fundet sig korte med elektroner. Det er her vand kommer ind i striden og bidrager med erstatningselektroner i form af brint og derved reducerer klorofylen. Da dets brint forsvandt, er det, der engang var vand, nu molekylært ilt - O₂. Dette ilt diffunderer helt ud af cellen og ud af planten, og noget af det har formået at finde vej ind i dine egne lunger på netop dette sekund.

Fotosyntese kaldes en endergonisk reaktion, fordi den kræver et input af energi for at fortsætte. Solen er den ultimative kilde til al energi på planeten (en kendsgerning måske forstået på et eller andet niveau af de forskellige antikke kulturer, der betragtede solen som en guddom i sig selv) og planter er de første, der opfanger den for produktiv brug. Uden denne energi ville der ikke være nogen måde, hvorpå kuldioxid, et lille, enkelt molekyle, kunne omdannes til glukose, et betydeligt større og mere komplekst molekyle. Forestil dig, at du går op ad en trappe, mens du på en eller anden måde ikke bruger energi, og du kan se det problem, planter står over for.

I aritmetiske termer er endergoniske reaktioner dem, hvor produkterne har et højere energiniveau end reaktanterne har. Det modsatte af disse reaktioner kaldes energisk set exergonic, hvor produkterne har lavere energi end reaktionerne, og energi frigøres derved under reaktionen. (Dette er ofte i form af varme - igen, bliver du varmere eller bliver du koldere med motion?) Dette udtrykkes i form af reaktionens frie energi ΔG °, som for fotosyntese er +479 kJ ⋅ mol^-1 eller 479 joule energi pr. mol. Det positive tegn indikerer en endoterm reaktion, mens et negativt tegn indikerer en eksoterm proces.

I lysreaktionerne brydes vand fra sollys, mens protonerne (H.⁺) og elektroner (e⁻) frigjort i lysreaktionerne bruges til at samle glucose og andre kulhydrater fra CO₂.

Lysreaktionerne er givet med formlen:

2H₂O + lys → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol⁻¹)

og de mørke reaktioner er givet af:

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

Samlet set giver dette den komplette ligning afsløret ovenfor:

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

Du kan se, at begge sæt reaktioner er endergoniske, lysreaktionerne stærkere.

Energikobling i levende systemer betyder at bruge energi, der stilles til rådighed fra en proces til at drive andre processer, der ellers ikke ville finde sted. Samfundet selv fungerer på denne måde: Virksomheder skal ofte låne store summer for at komme af jorden, men i sidste ende bliver nogle af disse virksomheder meget rentable og kan stille midler til rådighed for anden opstart virksomheder.

Fotosyntese repræsenterer et godt eksempel på energikobling, da energi fra sollys er koblet til reaktioner i kloroplaster, så reaktionerne kan udfolde sig. Anlægget belønner til sidst den globale kulstofcyklus ved at syntetisere glukose og andre kulstofforbindelser, der kan kobles til andre reaktioner, straks eller i fremtiden. For eksempel producerer hvedeplanter stivelse, der bruges verden over som en hovedkilde til mad til mennesker og andre dyr. Men ikke al glukose produceret af planter lagres; noget af det fortsætter til forskellige dele af planteceller, hvor den energi, der frigøres i glykolyse, i sidste ende er koblet til reaktioner i plantens mitokondrier, der resulterer i dannelsen af ​​ATP. Mens planter repræsenterer bunden af ​​fødekæden og betragtes bredt som passiv energi og ilt donorer, de har deres egne metaboliske behov, de bliver større og reproducerer ligesom andre organismer.

Til sidst har eleverne ofte problemer med at lære at afbalancere kemiske reaktioner, hvis de ikke er afbalanceret. Som et resultat kan studerende i deres tinkering blive fristet til at ændre værdierne for abonnementerne i molekyler i reaktionen for at opnå et afbalanceret resultat. Denne forvirring kan stamme fra at vide, at det er tilladt at ændre antallet foran molekylerne for at afbalancere reaktionerne. Ændring af abonnementet på ethvert molekyle forvandler det molekyle til et andet molekyle helt. For eksempel at ændre O₂ også₃ tilføjer ikke kun 50 procent mere ilt med hensyn til masse; det ændrer iltgas til ozon, som ikke ville deltage i reaktionen under undersøgelse på en lignende måde.