Millainen reaktio on fotosynteesi?

Ilman kemiallisten reaktioiden sarjaa, joka tunnetaan yhdessä nimellä fotosynteesi, et olisi täällä eikä kukaan muu tuntemasi. Tämä saattaa tuntua oudolta väitteeltä, jos satut tietämään, että fotosynteesi on yksinomaan kasveille ja muutamille mikro-organismeille, ja että yhdelläkään kehosi tai minkään eläimen solulla ei ole laitteita tämän elegantin reaktiovalikoiman toteuttamiseen. Mikä antaa?

Yksinkertaisesti sanottuna, kasvien ja eläinten elämä ovat melkein täydellisesti symbioottisia, mikä tarkoittaa, että tapa, jolla kasvit tyydyttävät aineenvaihduntatarpeitaan, on erittäin hyödyllistä eläimille ja päinvastoin. Yksinkertaisesti sanottuna eläimet ottavat happikaasua (O₂) energian saamiseksi ei-kaasumaisista hiililähteistä ja hiilidioksidikaasun (CO₂) ja vesi (H₂O) prosessissa, kun taas kasvit käyttävät CO: ta₂ ja H₂O tehdä ruokaa ja vapauttaa O₂ ympäristölle. Lisäksi noin 87 prosenttia maailman energiasta on tällä hetkellä peräisin fossiilisten polttoaineiden polttamisesta, jotka ovat viime kädessä myös fotosynteesin tuotteita.

Joskus sanotaan, että "fotosynteesi on kasveille, mitä hengitys on eläimille", mutta tämä on virheellinen analogia, koska kasvit käyttävät molempia, kun taas eläimet käyttävät vain hengitystä. Ajattele fotosynteesiä tapana, jolla kasvit kuluttavat ja sulattavat hiiltä, ​​tukeutuen valoon pikemminkin kuin liikkumiseen ja syömiseen, jotta hiili saataisiin muotoon, jonka pienet solukoneet voivat käyttää.

Fotosynteesi voi olla, vaikka merkittävä osa elävistä olennoista ei käytetä sitä suoraan kohtuudella katsotaan yhdeksi kemialliseksi prosessiksi, joka on vastuussa jatkuvan elämän olemassaolosta Maa itse. Fotosynteettiset solut ottavat CO: ta₂ ja H₂O organismin keräämä ympäristöstä ja käytä auringonvalon energiaa glukoosin (C₆H₁₂O₆), vapauttamalla O₂ jätetuotteena. Kasvin eri solut käsittelevät tämän glukoosin samalla tavalla kuin eläin käyttää glukoosia solut: Se hengittää vapauttaa energiaa adenosiinitrifosfaatin (ATP) muodossa ja vapauttaa CO₂ jätetuotteena. (Fytoplankton ja syanobakteerit käyttävät myös fotosynteesiä, mutta tämän keskustelun tarkoituksiin fotosynteettisiä soluja sisältäviä organismeja kutsutaan yleisesti "kasveiksi".)

Organismeja, jotka käyttävät fotosynteesiä glukoosin tuottamiseen, kutsutaan autotrofeiksi, mikä kääntyy löyhästi kreikan kielestä "itse ruokaksi". Toisin sanoen kasvit eivät ole riippuvaisia ​​muista organismeista suoraan ruoassa. Eläimet ovat toisaalta heterotrofeja ("muuta ruokaa"), koska heidän on syötettävä hiiltä muista elävistä lähteistä voidakseen kasvaa ja pysyä hengissä.

Fotosynteesiä pidetään redoksireaktiona. Redox on lyhenne sanoista "pelkistys-hapetus", joka kuvaa mitä tapahtuu atomitasolla erilaisissa biokemiallisissa reaktioissa. Täydellinen, tasapainoinen kaava reaktiosarjalle, jota kutsutaan fotosynteesiksi - jonka komponentteja tutkitaan pian - on:

6H₂O + valo + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Voit tarkistaa itse, että kunkin atomityypin määrä on sama nuolen kummallakin puolella: Kuusi hiiliatomia, 12 vetyatomia ja 18 happiatomia.

Pelkistys on elektronien poistaminen atomista tai molekyylistä, kun taas hapettuminen on elektronien voittoa. Vastaavasti yhdisteitä, jotka tuottavat helposti elektroneja muille yhdisteille, kutsutaan hapettimiksi, kun taas yhdisteitä, joilla on taipumusta saada elektroneja, kutsutaan pelkistäviksi aineiksi. Redox-reaktiot sisältävät yleensä vedyn lisäämisen pelkistettyyn yhdisteeseen.

Ensimmäinen vaihe fotosynteesissä voidaan tiivistää "anna valon olla". Auringonvalo iskee kasvien pintaan ja saa koko prosessin liikkeelle. Saatat jo epäillä, miksi monet kasvit näyttävät siltä kuin ne näyttävät: Paljon pinta-alaa lehtien ja niitä tukevat oksat, jotka vaikuttavat tarpeettomilta (vaikkakin houkuttelevilta), jos et tiedä miksi nämä organismit ovat rakenteeltaan tällä tavalla. Laitoksen "tavoite" on altistaa auringonvalolle niin paljon kuin mahdollista - jolloin se on lyhyin, pienin kasvit missä tahansa ekosysteemissä, kuten eläinten pentueen runit, koska ne molemmat kamppailevat saadakseen tarpeeksi energiaa. Lehdet, ei ole yllättävää, ovat erittäin tiheitä fotosynteettisissä soluissa.

Näissä soluissa on runsaasti kloroplasteiksi kutsuttuja organismeja, missä fotosynteesityö tehdään, aivan kuten mitokondriot ovat organelleja, joissa hengitys tapahtuu. Itse asiassa kloroplastit ja mitokondriot ovat rakenteellisesti melko samanlaisia, tosiasia, että kuten käytännössä kaikki biologian maailmassa, voivat Kloroplastit sisältävät erikoistuneita pigmenttejä, jotka absorboivat optimaalisesti valoenergiaa heijastamisen sijasta. se. Se, mikä heijastuu pikemminkin kuin absorboituu, sattuu olemaan aallonpituusalueella, jonka ihmissilmä ja aivot tulkitsevat tietyn väriseksi (vihje: Se alkaa "g": llä). Tärkein tähän tarkoitukseen käytetty pigmentti tunnetaan nimellä klorofylli.

Kloroplasteja ympäröi kaksinkertainen plasmakalvo, kuten kaikkien elävien solujen ja niiden sisältämien organellien tapauksessa. Kasveissa plasman kaksoiskerroksen sisällä on kuitenkin kolmas kalvo, jota kutsutaan tylakoidikalvoksi. Tämä kalvo on taitettu hyvin laajasti siten, että toistensa päälle pinotut epätyypilliset rakenteet johtavat toisin kuin hengitysminttujen paketti. Nämä tyloidirakenteet sisältävät klorofylliä. Sisäisen kloroplastikalvon ja tyloidikalvon välistä tilaa kutsutaan stroomaksi.

Fotosynteesi on jaettu joukoksi valosta riippuvia ja valosta riippumattomia reaktioita, joita kutsutaan yleensä valoiksi ja pimeiksi reaktioksi ja joita kuvataan yksityiskohtaisesti myöhemmin. Kuten olet ehkä päätynyt, valoreaktiot tapahtuvat ensin.

Kun auringon valo iskee klorofylliä ja muita tyloidien sisällä olevia pigmenttejä, se räjähtää pääosin irti klorofyllin atomien elektronit ja protonit ja nostaa ne korkeammalle energiatasolle, mikä tekee niistä vapaamman siirtyä. Elektronit ohjataan elektronien siirtoketjureaktioihin, jotka avautuvat itse tyloidikalvossa. Tällöin elektronien vastaanottajat, kuten NADP, vastaanottavat joitain näistä elektroneista, joita käytetään myös ATP: n synteesin ohjaamiseen. ATP on pohjimmiltaan soluille, mitä dollarit ovat Yhdysvaltain rahoitusjärjestelmälle: Käytännössä kaikki aineenvaihduntaprosessit suoritetaan "energiavaluutan" avulla.

Vaikka näin tapahtuu, aurinkoa kylvävät klorofylli-molekyylit ovat yhtäkkiä löytäneet itsensä elektronien puutteesta. Tällöin vesi pääsee kulkuun ja osallistuu korvauselektroneihin vedyn muodossa, mikä vähentää klorofylliä. Vedyn puuttuessa entinen vesi oli molekyylihappea - O₂. Tämä happi leviää solusta kokonaan pois kasvista, ja osa siitä on onnistunut löytämään tiensä omiin keuhkoihisi juuri tässä sekunnissa.

Fotosynteesiä kutsutaan endergoniseksi reaktioksi, koska se vaatii energian syöttöä edetäkseen. Aurinko on planeetan kaiken energian perimmäinen lähde (tosiasia, jonka eri ihmiset ymmärtävät jollakin tasolla) antiikin kulttuurit, jotka pitivät aurinkoa itsenäisenä jumaluutena) ja kasvit ovat ensimmäisiä, jotka sieppaavat sen tuottava käyttö. Ilman tätä energiaa ei olisi mitään tapaa muuttaa hiilidioksidia, pientä, yksinkertaista molekyyliä, glukoosiksi, huomattavasti suuremmaksi ja monimutkaisemmaksi molekyyliksi. Kuvittele itsesi kävelevän portaita ylöspäin kuluttamatta jotenkin energiaa, ja näet kasvien kohtaaman ongelman.

Aritmeettisesti endergoniset reaktiot ovat reaktioita, joissa tuotteiden energiataso on korkeampi kuin reagoivilla. Näiden reaktioiden päinvastaista sanotaan energisesti ottaen exergoniseksi, jossa tuotteilla on pienempi energia kuin reaktioilla ja energia vapautuu siten reaktion aikana. (Tämä tapahtuu usein lämmön muodossa - jälleen kerran, tuletko lämpimämmäksi vai kylmemmäksi liikunnan kanssa?) Tämä ilmaistaan ​​reaktion vapaana energiana ΔG °, joka fotosynteesissä on +479 kJ ⋅ mol^-1 tai 479 joulea energiaa moolia kohden. Positiivinen merkki osoittaa endotermisen reaktion, kun taas negatiivinen merkki osoittaa eksotermisen prosessin.

Valoreaktioissa vesi hajoaa auringonvalosta, kun taas pimeissä reaktioissa protonit (H⁺) ja elektronit (esim⁻), joita vapautuu valoreaktioissa, käytetään glukoosin ja muiden hiilihydraattien keräämiseksi CO: sta₂.

Valoreaktiot annetaan kaavalla:

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

ja pimeät reaktiot annetaan:

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

Kaiken kaikkiaan tämä tuottaa yllä esitetyn täydellisen yhtälön:

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

Voit nähdä, että molemmat reaktiojoukot ovat endergonisia, valoreaktiot voimakkaammin.

Energiakytkentä asumisjärjestelmissä tarkoittaa yhdestä prosessista saatavan energian käyttöä muiden prosessien ajamiseksi, joita muuten ei tapahtuisi. Yhteiskunta itse toimii tavallaan tällä tavalla: Yritysten on usein lainattava suuria summia etukäteen päästäkseen irti mutta lopulta joistakin näistä yrityksistä tulee erittäin kannattavia ja ne voivat tarjota varoja muille aloittaville yrityksille yrityksille.

Fotosynteesi on hyvä esimerkki energiakytkennästä, koska auringonvalon energia yhdistetään kloroplastien reaktioihin, jotta reaktiot voivat kehittyä. Kasvi palkitsee lopulta maailmanlaajuisen hiilen kierron syntetisoimalla glukoosia ja muita hiiliyhdisteitä, jotka voidaan kytkeä muihin reaktioihin välittömästi tai tulevaisuudessa. Esimerkiksi vehnäkasvit tuottavat tärkkelystä, joita käytetään kaikkialla maailmassa ihmisten ja muiden eläinten tärkeimpänä elintarvikkeiden lähteenä. Mutta kaikkea kasvien tuottamaa glukoosia ei ole varastoitu; osa siitä etenee kasvisolujen eri osiin, joissa glykolyysissä vapautunut energia on viime kädessä kytketty reaktioihin kasvien mitokondrioissa, jotka johtavat ATP: n muodostumiseen. Kasvit edustavat ravintoketjun pohjaa ja niitä pidetään yleisesti passiivisena energiana ja happena luovuttajilla, heillä on omat aineenvaihduntatarpeensa, ja heidän täytyy kasvaa suuremmiksi ja lisääntyä aivan kuten muutkin eliöt.

Vieraana, opiskelijoilla on usein vaikeuksia oppia tasapainottamaan kemiallisia reaktioita, jos niitä ei tarjota tasapainossa. Seurauksena on, että opiskelijat voivat houkutellessaan muuttaa reaktiossa molekyylien tilausten arvoja tasapainotetun tuloksen saavuttamiseksi. Tämä sekaannus voi johtua tietämisestä, että molekyylien edessä olevien lukujen muuttaminen reaktioiden tasapainottamiseksi on sallittua. Minkä tahansa molekyylin alaindeksin muuttaminen muuttaa kyseisen molekyylin kokonaan eri molekyyliksi. Esimerkiksi O: n vaihtaminen₂ O: lle₃ ei vain lisää 50 prosenttia enemmän happea massana mitattuna; se muuttaa happikaasua otsoniksi, joka ei osallistu tutkittavaan reaktioon etänä samalla tavalla.