Kakva je reakcija fotosinteza?

Bez niza kemijskih reakcija, zajednički poznatih kao fotosinteza, ne biste bili ovdje, kao ni bilo tko drugi koga znate. To bi vam se moglo činiti neobičnom tvrdnjom ako slučajno znate da je fotosinteza isključiva za biljke i nekoliko mikroorganizama, i da niti jedna stanica u vašem tijelu niti bilo koja životinja nema uređaj za provođenje ovog elegantnog niza reakcija. Što daje?

Jednostavno rečeno, biljni i životinjski svijet gotovo su savršeno simbiotični, što znači da način na koji biljke ispunjavaju svoje metaboličke potrebe od velike je koristi za životinje i obrnuto. Najjednostavnije rečeno, životinje uzimaju plin kisik (O₂) za dobivanje energije iz plinastih izvora ugljika i izlučivanje plina ugljičnog dioksida (CO₂) i vode (H₂O) u procesu, dok biljke koriste CO₂ i H₂O za proizvodnju hrane i puštanje O₂ na okoliš. Uz to, oko 87 posto svjetske energije trenutno se dobiva izgaranjem fosilnih goriva, koja su u konačnici i proizvodi fotosinteze.

Ponekad se kaže da je "fotosinteza biljkama ono što je disanje životinjama", ali to je pogrešna analogija jer biljke koriste oboje, dok životinje koriste samo disanje. Zamislite fotosintezu kao način na koji biljke troše i probavljaju ugljik, oslanjajući se na svjetlost, a ne na kretanje i čin jedenja kako bi ugljik stavili u oblik koji maleni stanični strojevi mogu koristiti.

Fotosinteza, unatoč tome što se značajan dio živih bića ne koristi izravno, može biti razumno promatrati kao jedan kemijski proces odgovoran za osiguravanje trajnog postojanja života na Sama Zemlja. Fotosintetske stanice uzimaju CO₂ i H₂O koje organizam prikuplja iz okoline i koristi energiju sunčeve svjetlosti za pokretanje sinteze glukoze (C₆H₁₂O₆), puštajući O₂ kao otpadni proizvod. Tu glukozu zatim obrađuju različite stanice u biljci na isti način na koji životinja koristi glukozu stanice: Podvrgava se disanju da bi oslobodio energiju u obliku adenozin trifosfata (ATP) i oslobađa CO₂ kao otpadni proizvod. (Fitoplankton i cijanobakterije također koriste fotosintezu, ali u svrhe ove rasprave, organizmi koji sadrže fotosintetske stanice nazivaju se generički "biljkama".)

Organizmi koji koriste fotosintezu za stvaranje glukoze nazivaju se autotrofi, što s grčkog u prijevodu znači "samohrana". Odnosno, biljke se ne oslanjaju na druge organizme izravno za hranu. Životinje su, s druge strane, heterotrofi ("druga hrana") jer moraju unositi ugljik iz drugih živih izvora da bi mogle rasti i ostati žive.

Fotosinteza se smatra redoks reakcijom. Redox je skraćenica od "redukcija-oksidacija", koja opisuje što se događa na atomskoj razini u raznim biokemijskim reakcijama. Kompletna, uravnotežena formula za niz reakcija nazvanih fotosinteza - čije će se komponente uskoro istražiti - je:

6H₂O + svjetlost + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Možete i sami provjeriti je li broj svake vrste atoma jednak sa svake strane strelice: šest atoma ugljika, 12 atoma vodika i 18 atoma kisika.

Redukcija je uklanjanje elektrona iz atoma ili molekule, dok je oksidacija dobivanje elektrona. Sukladno tome, spojevi koji lako daju elektrone drugim spojevima nazivaju se oksidacijskim sredstvima, dok oni koji imaju tendenciju dobivanja elektrona nazivaju se redukcijskim sredstvima. Redoks reakcije obično uključuju dodavanje vodika spoju koji se reducira.

Prvi korak u fotosintezi mogao bi se sažeti kao "neka bude svjetla". Sunčeva svjetlost pogađa površinu biljaka, pokrećući čitav proces. Možda već sumnjate zašto mnoge biljke izgledaju onako kako izgledaju: Velika površina u obliku lišća i grane koje ih podupiru čine se nepotrebnima (iako privlačnima) ako ne znate zašto su ti organizmi strukturirani ovuda. "Cilj" biljke je izlagati se suncu što je više moguće - čineći najkraće, najmanje biljke u bilo kojem ekosustavu radije poput runtova životinjskog legla jer se oboje trude dobiti dovoljno energije. Listovi su, što ne iznenađuje, izuzetno gusti u fotosintetskim stanicama.

Te su stanice bogate organizmima koji se nazivaju kloroplastima, gdje se obavlja posao fotosinteze, baš kao što su mitohondriji organele u kojima dolazi do disanja. Zapravo su kloroplasti i mitohondriji strukturno prilično slični, činjenica koja, kao i praktički sve u svijetu biologije, može mogu se pratiti do čudesa evolucije.) Kloroplasti sadrže specijalizirane pigmente koji optimalno apsorbiraju svjetlosnu energiju, a ne odražavaju to. Ono što se odražava, a ne apsorbira, nalazi se u rasponu valnih duljina koje ljudsko oko i mozak tumače kao određenu boju (savjet: započinje s "g"). Glavni pigment koji se koristi u tu svrhu poznat je kao klorofil.

Kloroplasti su okruženi dvostrukom plazemskom membranom, kao što je slučaj sa svim živim stanicama, kao i organelama koje sadrže. U biljkama, međutim, postoji treća membrana unutar plazma dvosloja, koja se naziva tilakoidna membrana. Ova je membrana preklopljena vrlo široko, tako da rezultiraju pločaste strukture složene jedna na drugu, za razliku od paketa metvica. Te tilakoidne strukture sadrže klorofil. Prostor između unutarnje membrane kloroplasta i tilakoidne membrane naziva se stromom.

Fotosinteza je podijeljena u skup svjetlosno ovisnih i svjetlosno neovisnih reakcija, koje se obično nazivaju svjetlosne i tamne reakcije i kasnije detaljno opisane. Kao što ste možda zaključili, prvo se javljaju svjetlosne reakcije.

Kad svjetlost sunca udari u klorofil i druge pigmente unutar tilakoida, on u suštini puše elektrona i protona iz atoma u klorofilu i podiže ih na višu razinu energije, čineći ih slobodnijima za migrirati. Elektroni se preusmjeravaju u lančane reakcije transporta elektrona koje se odvijaju na samoj tilakoidnoj membrani. Ovdje elektronski akceptori poput NADP-a primaju neke od tih elektrona, koji se također koriste za pokretanje sinteze ATP-a. ATP je u osnovi stanicama ono što američki financijski sustav čine dolari: to je "energetska valuta" pomoću koje se u konačnici provode gotovo svi metabolički procesi.

Dok se to događa, molekulama klorofila za sunčanje iznenada je nedostajalo elektrona. Tu voda ulazi u nestašicu i pridonosi zamjenskim elektronima u obliku vodika, smanjujući time klorofil. S nestankom vodika, ono što je nekad bila voda, danas je molekularni kisik - O₂. Ovaj kisik u cijelosti difundira iz stanice i iz biljke, a neki od njih upravo su u ovoj sekundi uspjeli pronaći put u vaša pluća.

Fotosinteza se naziva endergoničnom reakcijom, jer joj je za ulazak potreban unos energije. Sunce je krajnji izvor sve energije na planetu (činjenica koju su možda na nekoj razini razumjeli kulture antike koje su sunce samo po sebi smatrale božanstvom) i biljke su prve koje su ga presrele produktivna upotreba. Bez te energije ne bi bilo moguće da se ugljični dioksid, mala, jednostavna molekula, pretvori u glukozu, znatno veću i složeniju molekulu. Zamislite sebe kako hodate stepenicama, a pritom nekako ne trošite energiju, i možete vidjeti problem s kojim se suočavaju biljke.

U aritmetičkom smislu, endergonične reakcije su one u kojima proizvodi imaju višu razinu energije od reaktanata. Suprotno od ovih reakcija, energetski gledano, nazivaju se eksergonskim, u kojima proizvodi imaju nižu energiju od reakcija i energija se time oslobađa tijekom reakcije. (Ovo je često u obliku vrućine - opet, postaje li vam toplije ili vam vježbanjem postaje hladnije?) To se izražava u obliku slobodne energije ΔG ° reakcije, koja za fotosintezu iznosi +479 kJ ⋅ mol^-1 ili 479 džula energije po molu. Pozitivni znak ukazuje na endotermnu reakciju, dok negativni znak ukazuje na egzotermni proces.

U svjetlosnim reakcijama voda se razdvaja sunčevom svjetlošću, dok se u mračnim reakcijama protoni (H⁺) i elektroni (npr⁻) oslobođeni pri svjetlosnim reakcijama koriste se za prikupljanje glukoze i drugih ugljikohidrata iz CO₂.

Svjetlosne reakcije daju se formulom:

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

a tamne reakcije daju:

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

Sveukupno, ovo daje gornju cjelovitu jednadžbu:

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

Možete vidjeti da su oba skupa reakcija endergonična, svjetlosne reakcije jače.

Energetsko sprezanje u živim sustavima znači korištenje energije koja je dostupna iz jednog procesa za pokretanje drugih procesa koji se inače ne bi odvijali. I samo društvo nekako funkcionira na ovaj način: poduzeća često moraju unaprijed posuditi velike svote novca da bi sišla s tržišta ali na kraju neka od tih poduzeća postaju vrlo profitabilna i mogu staviti na raspolaganje sredstva za druga pokretanja tvrtke.

Fotosinteza predstavlja dobar primjer energetskog povezivanja, jer se energija sunčeve svjetlosti povezuje s reakcijama u kloroplastima, tako da se reakcije mogu odvijati. Biljka na kraju nagrađuje globalni ciklus ugljika sintetiziranjem glukoze i drugih ugljikovih spojeva koji se mogu povezati s drugim reakcijama, odmah ili u budućnosti. Na primjer, biljke pšenice proizvode škrob koji se širom svijeta koristi kao glavni izvor hrane za ljude i druge životinje. Ali nije pohranjena sva glukoza koju proizvode biljke; dio se nastavlja u različite dijelove biljnih stanica, gdje je energija koja se oslobađa glikolizom u konačnici povezana s reakcijama u biljnim mitohondrijima koje rezultiraju stvaranjem ATP-a. Dok biljke predstavljaju dno prehrambenog lanca i na njih se široko gleda kao na pasivnu energiju i kisik donatori, oni imaju svoje metaboličke potrebe, moraju rasti i reproducirati se kao i drugi organizmi.

Osim toga, studenti često imaju problema s učenjem uravnoteženja kemijskih reakcija ako one nisu u uravnoteženom obliku. Kao rezultat toga, u njihovom petljanju studenti mogu doći u napast da promijene vrijednosti indeksa u molekulama u reakciji kako bi postigli uravnotežen rezultat. Ova zbrka može proizaći iz saznanja da je dopušteno mijenjati brojeve ispred molekula kako bi se uravnotežile reakcije. Promjenom indeksa bilo koje molekule ta molekula postaje potpuno drugačija molekula. Na primjer, promjena O₂ isto₃ ne dodaje samo 50 posto više kisika u smislu mase; mijenja plin kisik u ozon, koji ne bi na daljinu sličan način sudjelovao u reakciji koja se proučava.