Welche Art von Reaktion ist Photosynthese?

Ohne die Reihe chemischer Reaktionen, die zusammen als Photosynthese bekannt sind, wären Sie nicht hier und auch niemand sonst, den Sie kennen. Dies mag Ihnen als eine seltsame Behauptung erscheinen, wenn Sie zufällig wissen, dass die Photosynthese ausschließlich von Pflanzen und einigen Mikroorganismen stattfindet. und dass keine einzige Zelle in Ihrem Körper oder in der eines Tieres über den Apparat verfügt, um diese elegante Mischung von Reaktionen auszuführen. Was gibt?

Vereinfacht gesagt, sind Pflanzen- und Tierleben fast perfekt symbiotisch, was bedeutet, dass die Art und Weise, wie Pflanzen ihre Stoffwechselbedürfnisse befriedigen, für Tiere von größtem Nutzen ist und umgekehrt. Einfach ausgedrückt nehmen Tiere Sauerstoffgas (O₂) zur Energiegewinnung aus nicht gasförmigen Kohlenstoffquellen und zur Ausscheidung von Kohlendioxidgas (CO₂) und Wasser (H₂O) im Prozess, während Pflanzen CO. verwenden₂ und H₂O um Essen zu machen und O. freizugeben₂ für die Umwelt. Darüber hinaus werden derzeit etwa 87 Prozent der weltweiten Energie aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe gewonnen, die letztlich ebenfalls Produkte der Photosynthese sind.

Es wird manchmal gesagt, dass "Photosynthese für Pflanzen das ist, was Atmung für Tiere ist", aber dies ist eine fehlerhafte Analogie, da Pflanzen beides nutzen, während Tiere nur Atmung verwenden. Stellen Sie sich die Photosynthese als die Art und Weise vor, wie Pflanzen Kohlenstoff verbrauchen und verdauen, wobei sie sich eher auf Licht als auf Fortbewegung und den Akt des Essens verlassen, um Kohlenstoff in eine Form zu bringen, die winzige Zellmaschinen nutzen können.

Die Photosynthese kann, obwohl sie von einem erheblichen Teil der Lebewesen nicht direkt genutzt wird, vernünftigerweise als der einzige chemische Prozess angesehen werden, der für die Sicherung des Fortbestands von Leben auf Erde selbst. Photosynthetische Zellen nehmen CO. auf₂ und H₂O, das der Organismus aus der Umwelt sammelt und die Energie des Sonnenlichts nutzt, um die Synthese von Glukose (C₆H₁₂Ö₆), Loslassen von O₂ als Abfallprodukt. Diese Glukose wird dann von verschiedenen Zellen in der Pflanze auf die gleiche Weise verarbeitet, wie Glukose von Tieren verwendet wird Zellen: Durch Atmung wird Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) freigesetzt und CO₂ als Abfallprodukt. (Phytoplankton und Cyanobakterien nutzen ebenfalls die Photosynthese, aber für die Zwecke dieser Diskussion werden Organismen, die photosynthetische Zellen enthalten, allgemein als "Pflanzen" bezeichnet.)

Organismen, die Photosynthese verwenden, um Glukose herzustellen, werden als Autotrophe bezeichnet, was frei aus dem Griechischen in "Selbstnahrung" übersetzt wird. Das heißt, Pflanzen sind nicht direkt auf andere Organismen als Nahrung angewiesen. Tiere hingegen sind Heterotrophe ("andere Nahrung"), weil sie Kohlenstoff aus anderen lebenden Quellen aufnehmen müssen, um zu wachsen und am Leben zu bleiben.

Die Photosynthese gilt als Redoxreaktion. Redox ist die Abkürzung für „Reduktion-Oxidation“, was beschreibt, was auf atomarer Ebene bei den verschiedenen biochemischen Reaktionen passiert. Die vollständige, ausgewogene Formel für die Reihe von Reaktionen namens Photosynthese – deren Komponenten in Kürze untersucht werden – lautet:

6H₂O + Licht + 6CO₂ → C₆H₁₂Ö₆ + 6O₂

Sie können selbst überprüfen, dass die Anzahl jeder Atomart auf jeder Seite des Pfeils gleich ist: Sechs Kohlenstoffatome, 12 Wasserstoffatome und 18 Sauerstoffatome.

Reduktion ist die Entfernung von Elektronen aus einem Atom oder Molekül, während Oxidation die Aufnahme von Elektronen ist. Dementsprechend werden Verbindungen, die leicht Elektronen an andere Verbindungen abgeben, Oxidationsmittel genannt, während diejenigen, die dazu neigen, Elektronen aufzunehmen, Reduktionsmittel genannt werden. Redoxreaktionen beinhalten normalerweise die Zugabe von Wasserstoff zu der zu reduzierenden Verbindung.

Der erste Schritt in der Photosynthese könnte man zusammenfassen als „lass es Licht werden“. Sonnenlicht trifft auf die Pflanzenoberfläche und setzt den gesamten Prozess in Gang. Sie ahnen vielleicht schon, warum viele Pflanzen so aussehen, wie sie aussehen: Viel Fläche in Form von Blättern und dem Zweige, die sie unterstützen, die unnötig (wenn auch attraktiv) erscheinen, wenn Sie nicht wissen, warum diese Organismen strukturiert sind Hier entlang. Das „Ziel“ der Pflanze ist es, so viel wie möglich von sich selbst dem Sonnenlicht auszusetzen – die kürzeste, kleinste zu machen Pflanzen in jedem Ökosystem eher wie die Zwerge eines Tierstreus, da sie beide Schwierigkeiten haben, genug zu bekommen Energie. Es überrascht nicht, dass Blätter in photosynthetischen Zellen extrem dicht sind.

Diese Zellen sind reich an Organismen, die Chloroplasten genannt werden, wo die Photosynthese stattfindet, genau wie Mitochondrien die Organellen sind, in denen die Atmung stattfindet. Tatsächlich sind Chloroplasten und Mitochondrien strukturell ziemlich ähnlich, eine Tatsache, die wie praktisch alles in der Welt der Biologie biology auf die Wunder der Evolution zurückgeführt werden.) Chloroplasten enthalten spezielle Pigmente, die Lichtenergie optimal absorbieren und nicht reflektieren es. Was reflektiert und nicht absorbiert wird, liegt in einem Wellenlängenbereich, der vom menschlichen Auge und Gehirn als eine bestimmte Farbe interpretiert wird (Hinweis: Es beginnt mit "g"). Das hierfür hauptsächlich verwendete Pigment ist als Chlorophyll bekannt.

Chloroplasten sind wie alle lebenden Zellen und die darin enthaltenen Organellen von einer doppelten Plasmamembran umgeben. In Pflanzen existiert jedoch eine dritte Membran innerhalb der Plasmadoppelschicht, die als Thylakoidmembran bezeichnet wird. Diese Membran ist sehr großflächig gefaltet, so dass übereinander gestapelte scheibenförmige Gebilde entstehen, ähnlich einer Packung Pfefferminzbonbons. Diese Thylakoidstrukturen enthalten Chlorophyll. Der Raum zwischen der inneren Chloroplastenmembran und der Thylakoidmembran wird als Stroma bezeichnet.

Die Photosynthese wird in eine Reihe von lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen unterteilt, die normalerweise als Hell- und Dunkelreaktionen bezeichnet werden und später ausführlich beschrieben werden. Wie Sie vielleicht festgestellt haben, treten zuerst die Lichtreaktionen auf.

Wenn das Licht der Sonne auf das Chlorophyll und andere Pigmente in den Thylakoiden trifft, wird es im Wesentlichen gelöst Elektronen und Protonen aus den Atomen im Chlorophyll und hebt sie auf ein höheres Energieniveau, wodurch sie freier für Wandern. Die Elektronen werden in die Elektronentransportkettenreaktionen umgeleitet, die auf der Thylakoidmembran selbst ablaufen. Hier erhalten Elektronenakzeptoren wie NADP einen Teil dieser Elektronen, die auch die Synthese von ATP vorantreiben. ATP ist für die Zellen im Wesentlichen das, was Dollar für das US-Finanzsystem sind: Es ist die „Energiewährung“, mit der letztendlich praktisch alle Stoffwechselprozesse durchgeführt werden.

Während dies geschieht, fehlen den sonnenbadenden Chlorophyll-Molekülen plötzlich die Elektronen. Hier tritt Wasser ins Getümmel und steuert Ersatzelektronen in Form von Wasserstoff bei, wodurch das Chlorophyll reduziert wird. Was einst Wasser war, ist jetzt molekularer Sauerstoff, da sein Wasserstoff verschwunden ist – O₂. Dieser Sauerstoff diffundiert aus der Zelle und vollständig aus der Pflanze, und ein Teil davon hat es in genau dieser Sekunde geschafft, in die eigene Lunge zu gelangen.

Die Photosynthese wird als endergonische Reaktion bezeichnet, da sie einen Energieeintrag erfordert, um fortzufahren. Die Sonne ist die ultimative Quelle aller Energie auf dem Planeten (eine Tatsache, die vielleicht von den verschiedenen auf einer gewissen Ebene verstanden wird Kulturen der Antike, die die Sonne als eigene Gottheit betrachteten) und Pflanzen sind die ersten, die sie abfangen produktive Nutzung. Ohne diese Energie könnte Kohlendioxid, ein kleines, einfaches Molekül, nicht in Glukose umgewandelt werden, ein erheblich größeres und komplexeres Molekül. Stellen Sie sich vor, Sie gehen eine Treppe hinauf und verbrauchen irgendwie keine Energie, und Sie können das Problem sehen, mit dem Pflanzen konfrontiert sind.

Rechnerisch sind endergonische Reaktionen solche, bei denen die Produkte ein höheres Energieniveau aufweisen als die Reaktanten. Das energetische Gegenteil dieser Reaktionen nennt man exergonisch, bei dem die Produkte eine geringere Energie haben als die Reaktionen und dabei Energie freigesetzt wird. (Dies ist oft in Form von Hitze – wird es dir wieder wärmer oder kälter durch Bewegung?) Dies wird durch die freie Energie ΔG° der Reaktion ausgedrückt, die für die Photosynthese +479 kJ beträgt ⋅ mol^-1 oder 479 Joule Energie pro Mol. Das positive Vorzeichen zeigt eine endotherme Reaktion an, während ein negatives Vorzeichen einen exothermen Prozess anzeigt.

Bei den Lichtreaktionen wird Wasser durch Sonnenlicht zerlegt, während bei den Dunkelreaktionen die Protonen (H⁺) und Elektronen (e⁻) werden bei den Lichtreaktionen freigesetzt, um Glucose und andere Kohlenhydrate aus CO. aufzubauen₂.

Die Lichtreaktionen sind durch die Formel gegeben:

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

und die dunklen Reaktionen sind gegeben durch:

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

Insgesamt ergibt dies die vollständige oben offenbarte Gleichung:

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

Sie können sehen, dass beide Reaktionsgruppen endergonisch sind, die Lichtreaktionen stärker.

Energiekopplung in lebenden Systemen bedeutet, Energie, die von einem Prozess zur Verfügung gestellt wird, zu nutzen, um andere Prozesse anzutreiben, die sonst nicht stattfinden würden. Die Gesellschaft selbst funktioniert so: Unternehmen müssen sich oft im Voraus große Summen leihen, um aus dem Geschäft zu kommen Boden, aber letztendlich werden einige dieser Unternehmen hochprofitabel und können Mittel für andere Start-ups zur Verfügung stellen Unternehmen.

Ein gutes Beispiel für Energiekopplung ist die Photosynthese, da in Chloroplasten Energie aus dem Sonnenlicht an Reaktionen gekoppelt wird, damit sich die Reaktionen entfalten können. Die Pflanze belohnt schließlich den globalen Kohlenstoffkreislauf, indem sie Glukose und andere Kohlenstoffverbindungen synthetisiert, die sofort oder in Zukunft an andere Reaktionen gekoppelt werden können. Weizenpflanzen produzieren beispielsweise Stärke, die weltweit als Hauptnahrungsquelle für Menschen und andere Tiere verwendet wird. Aber nicht die gesamte von Pflanzen produzierte Glukose wird gespeichert; ein Teil davon gelangt in verschiedene Teile von Pflanzenzellen, wo die bei der Glykolyse freigesetzte Energie schließlich an Reaktionen in den pflanzlichen Mitochondrien gekoppelt wird, die zur Bildung von ATP führen. Während Pflanzen das untere Ende der Nahrungskette darstellen und weithin als passive Energie und Sauerstoff angesehen werden Spender haben ihren eigenen Stoffwechselbedarf, müssen größer werden und sich vermehren wie andere Organismen.

Nebenbei bemerkt haben Studierende oft Schwierigkeiten, chemische Reaktionen auszugleichen, wenn diese nicht in ausgewogener Form zur Verfügung gestellt werden. Infolgedessen können Schüler beim Basteln versucht sein, die Werte der Indizes in Molekülen in der Reaktion zu ändern, um ein ausgewogenes Ergebnis zu erzielen. Diese Verwirrung kann darauf zurückzuführen sein, dass man weiß, dass es zulässig ist, die Zahlen vor den Molekülen zu ändern, um Reaktionen auszugleichen. Das Ändern des Index eines Moleküls verwandelt dieses Molekül in ein völlig anderes Molekül. Zum Beispiel das Ändern von O₂ auch₃ fügt nicht nur 50 Prozent mehr Sauerstoff in Bezug auf die Masse hinzu; es wandelt Sauerstoffgas in Ozon um, das nicht in ähnlicher Weise an der untersuchten Reaktion teilnehmen würde.