Quel type de réaction est la photosynthèse ?

Sans la série de réactions chimiques collectivement connues sous le nom de photosynthèse, vous ne seriez pas ici, ni personne d'autre que vous connaissez. Cela pourrait vous paraître étrange si vous savez que la photosynthèse est exclusive aux plantes et à quelques micro-organismes, et qu'aucune cellule de votre corps ou de celui d'un animal n'a l'appareil pour effectuer cet élégant assortiment de réactions. Ce qui donne?

En termes simples, la vie végétale et la vie animale sont presque parfaitement symbiotiques, ce qui signifie que la façon dont les plantes répondent à leurs besoins métaboliques est extrêmement bénéfique pour les animaux et vice versa. En termes simples, les animaux absorbent de l'oxygène gazeux (O₂) pour tirer de l'énergie de sources de carbone non gazeuses et excréter du dioxyde de carbone gazeux (CO₂) et de l'eau (H₂O) dans le processus, tandis que les usines utilisent du CO₂ et H₂O pour faire de la nourriture et libérer O₂ à l'environnement. En outre, environ 87 pour cent de l'énergie mondiale provient actuellement de la combustion de combustibles fossiles, qui sont également en fin de compte des produits de la photosynthèse.

On dit parfois que « la photosynthèse est aux plantes ce que la respiration est aux animaux », mais c'est une analogie erronée car les plantes utilisent les deux, tandis que les animaux n'utilisent que la respiration. Pensez à la photosynthèse comme à la façon dont les plantes consomment et digèrent le carbone, en s'appuyant sur la lumière plutôt que sur la locomotion et l'acte de manger pour mettre le carbone sous une forme que de minuscules machines cellulaires peuvent utiliser.

La photosynthèse, bien qu'elle ne soit pas utilisée directement par une fraction importante des êtres vivants, peut être raisonnablement considéré comme le seul processus chimique responsable d'assurer l'existence continue de la vie sur Terre elle-même. Les cellules photosynthétiques prennent du CO₂ et H₂O recueilli par l'organisme dans l'environnement et utilise l'énergie du soleil pour alimenter la synthèse du glucose (C₆H₁₂O₆), libérant O₂ comme un déchet. Ce glucose est ensuite traité par différentes cellules de la plante de la même manière que le glucose est utilisé par les animaux. cellules: Il subit une respiration pour libérer de l'énergie sous forme d'adénosine triphosphate (ATP) et libère CO₂ comme un déchet. (Le phytoplancton et les cyanobactéries utilisent également la photosynthèse, mais aux fins de cette discussion, les organismes contenant des cellules photosynthétiques sont appelés génériquement « plantes ».)

Les organismes qui utilisent la photosynthèse pour fabriquer du glucose sont appelés autotrophes, ce qui se traduit vaguement du grec par « auto-alimentation ». C'est-à-dire que les plantes ne dépendent pas directement d'autres organismes pour se nourrir. Les animaux, en revanche, sont des hétérotrophes (« autres aliments ») car ils doivent ingérer du carbone provenant d'autres sources vivantes pour grandir et rester en vie.

La photosynthèse est considérée comme une réaction d'oxydoréduction. Redox est l'abréviation de "réduction-oxydation", qui décrit ce qui se passe au niveau atomique dans les diverses réactions biochimiques. La formule complète et équilibrée de la série de réactions appelée photosynthèse – dont les composantes seront explorées prochainement – ​​est :

6H₂O + lumière + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Vous pouvez vérifier par vous-même que le nombre de chaque type d'atome est le même de chaque côté de la flèche: Six atomes de carbone, 12 atomes d'hydrogène et 18 atomes d'oxygène.

La réduction est l'élimination des électrons d'un atome ou d'une molécule, tandis que l'oxydation est le gain d'électrons. En conséquence, les composés qui cèdent facilement des électrons à d'autres composés sont appelés agents oxydants, tandis que ceux qui ont tendance à gagner des électrons sont appelés agents réducteurs. Les réactions d'oxydoréduction impliquent généralement l'ajout d'hydrogène au composé à réduire.

La première étape de la photosynthèse pourrait se résumer à "que la lumière soit". La lumière du soleil frappe la surface des plantes, mettant tout le processus en mouvement. Vous vous demandez peut-être déjà pourquoi de nombreuses plantes ressemblent à ce qu'elles sont: une grande surface sous forme de feuilles et de branches qui les soutiennent qui semblent inutiles (bien qu'attrayantes) si vous ne savez pas pourquoi ces organismes sont structurés Par ici. Le « but » de la plante est de s'exposer autant que possible à la lumière du soleil – en faisant le plus court, le plus petit les plantes dans n'importe quel écosystème ressemblent plutôt aux avortons d'une litière animale en ce sens qu'ils luttent tous les deux pour obtenir suffisamment énergie. Les feuilles, sans surprise, sont extrêmement denses en cellules photosynthétiques.

Ces cellules sont riches en organismes appelés chloroplastes, où se fait le travail de la photosynthèse, tout comme les mitochondries sont les organites dans lesquels se produit la respiration. En fait, les chloroplastes et les mitochondries sont structurellement assez similaires, un fait qui, comme pratiquement tout dans le monde de la biologie, peut être attribuée aux merveilles de l'évolution.) Les chloroplastes contiennent des pigments spécialisés qui absorbent de manière optimale l'énergie lumineuse plutôt que de réfléchir il. Ce qui est réfléchi plutôt qu'absorbé se trouve dans une gamme de longueurs d'onde qui est interprétée par l'œil et le cerveau humains comme étant une couleur particulière (indice: cela commence par « g »). Le principal pigment utilisé à cette fin est connu sous le nom de chlorophylle.

Les chloroplastes sont entourés d'une double membrane plasmique, comme c'est le cas de toutes les cellules vivantes ainsi que des organites qu'elles contiennent. Chez les plantes, cependant, une troisième membrane existe à l'intérieur de la bicouche plasmatique, appelée membrane thylacoïde. Cette membrane est très largement pliée de sorte que des structures en forme de disque empilées les unes sur les autres en résultent, un peu comme un paquet de bonbons à la menthe. Ces structures thylakoïdes contiennent de la chlorophylle. L'espace entre la membrane chloroplastique interne et la membrane thylakoïde s'appelle le stroma.

La photosynthèse est divisée en un ensemble de réactions dépendantes et indépendantes de la lumière, généralement appelées réactions claires et sombres et décrites en détail plus tard. Comme vous l'avez peut-être conclu, les réactions lumineuses se produisent en premier.

Lorsque la lumière du soleil frappe la chlorophylle et d'autres pigments à l'intérieur des thylakoïdes, elle se détache essentiellement électrons et protons des atomes de la chlorophylle et les élève à un niveau d'énergie plus élevé, les rendant plus libres de émigrer. Les électrons sont détournés dans les réactions en chaîne de transport d'électrons qui se déroulent sur la membrane thylakoïde elle-même. Ici, les accepteurs d'électrons tels que le NADP reçoivent certains de ces électrons, qui sont également utilisés pour piloter la synthèse d'ATP. L'ATP est essentiellement aux cellules ce que les dollars sont au système financier américain: c'est « la monnaie énergétique » à l'aide de laquelle pratiquement tous les processus métaboliques sont finalement effectués.

Pendant ce temps, les molécules de chlorophylle en bain de soleil se sont soudainement retrouvées à court d'électrons. C'est là que l'eau entre dans la mêlée et apporte des électrons de remplacement sous forme d'hydrogène, réduisant ainsi la chlorophylle. Avec son hydrogène disparu, ce qui était autrefois de l'eau est maintenant de l'oxygène moléculaire - O₂. Cet oxygène se diffuse hors de la cellule et hors de la plante entièrement, et une partie a réussi à se frayer un chemin dans vos propres poumons précisément à cette seconde.

La photosynthèse est appelée une réaction endergonique car elle nécessite un apport d'énergie pour se dérouler. Le soleil est la source ultime de toute énergie sur la planète (un fait peut-être compris à un certain niveau par les divers cultures de l'antiquité qui considéraient le soleil comme une divinité à part entière) et les plantes sont les premières à l'intercepter pendant utilisation productive. Sans cette énergie, il n'y aurait aucun moyen pour le dioxyde de carbone, une petite molécule simple, d'être converti en glucose, une molécule considérablement plus grande et plus complexe. Imaginez-vous en train de monter un escalier sans dépenser d'énergie, et vous pouvez voir le problème rencontré par les plantes.

En termes arithmétiques, les réactions endergoniques sont celles dans lesquelles les produits ont un niveau d'énergie plus élevé que les réactifs. L'opposé de ces réactions, énergétiquement parlant, est appelé exergonique, dans lequel les produits ont une énergie inférieure à celle des réactions et de l'énergie est ainsi libérée au cours de la réaction. (Ceci est souvent sous forme de chaleur - encore une fois, devenez-vous plus chaud ou devenez-vous plus froid avec l'exercice ?) Ceci est exprimé en termes d'énergie libre ΔG° de la réaction, qui pour la photosynthèse est de +479 kJ ⋅ mole^-1 ou 479 joules d'énergie par mole. Le signe positif indique une réaction endothermique, tandis qu'un signe négatif indique un processus exothermique.

Dans les réactions lumineuses, l'eau est brisée par la lumière du soleil, tandis que dans les réactions sombres, les protons (H⁺) et des électrons (e⁻) libérées à la lumière des réactions sont utilisées pour assembler du glucose et d'autres glucides à partir du CO₂.

Les réactions lumineuses sont données par la formule :

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

et les réactions sombres sont données par :

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

Dans l'ensemble, cela donne l'équation complète révélée ci-dessus :

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

Vous pouvez voir que les deux ensembles de réactions sont endergoniques, les réactions légères plus fortement.

Le couplage énergétique dans les systèmes vivants consiste à utiliser l'énergie mise à disposition par un processus pour entraîner d'autres processus qui n'auraient pas lieu autrement. La société elle-même fonctionne en quelque sorte de cette façon: les entreprises doivent souvent emprunter de grosses sommes d'argent à l'avance pour terrain, mais en fin de compte, certaines de ces entreprises deviennent très rentables et peuvent mettre des fonds à la disposition d'autres start-up entreprises.

La photosynthèse représente un bon exemple de couplage énergétique, car l'énergie de la lumière du soleil est couplée à des réactions dans les chloroplastes afin que les réactions puissent se dérouler. La plante récompense finalement le cycle global du carbone en synthétisant du glucose et d'autres composés carbonés qui peuvent être couplés à d'autres réactions, immédiatement ou dans le futur. Par exemple, les plants de blé produisent de l'amidon, utilisé dans le monde entier comme principale source de nourriture pour les humains et les autres animaux. Mais tout le glucose fabriqué par les plantes n'est pas stocké; une partie se dirige vers différentes parties des cellules végétales, où l'énergie libérée lors de la glycolyse est finalement couplée à des réactions dans les mitochondries végétales qui entraînent la formation d'ATP. Alors que les plantes représentent le bas de la chaîne alimentaire et sont largement considérées comme de l'énergie passive et de l'oxygène donneurs, ils ont leurs propres besoins métaboliques, doivent grandir et se reproduire comme les autres organismes.

Soit dit en passant, les étudiants ont souvent du mal à apprendre à équilibrer les réactions chimiques si celles-ci ne sont pas fournies sous une forme équilibrée. Par conséquent, dans leur bricolage, les élèves peuvent être tentés de modifier les valeurs des indices dans les molécules de la réaction afin d'obtenir un résultat équilibré. Cette confusion peut provenir du fait de savoir qu'il est permis de changer les nombres devant les molécules afin d'équilibrer les réactions. Changer l'indice de n'importe quelle molécule transforme cette molécule en une molécule complètement différente. Par exemple, changer O₂ trop₃ ne se contente pas d'ajouter 50 pour cent d'oxygène en plus en termes de masse; il transforme l'oxygène gazeux en ozone, qui ne participerait pas de manière similaire à la réaction étudiée.