Milyen reakció a fotoszintézis?

A fotoszintézis néven ismert kémiai reakciók sorozata nélkül nem lennél itt, és senki más nem ismernéd. Ez furcsa állításnak tűnhet, ha véletlenül tudja, hogy a fotoszintézis kizárólag a növényekre és néhány mikroorganizmusra vonatkozik, és hogy testének egyetlen sejtjénél sem egyetlen állat sem rendelkezik olyan készülékkel, amely elegáns reakcióválasztékot hajthat végre. Mi ad?

Leegyszerűsítve: a növényi és az állati élet szinte tökéletesen szimbiotikus, ami azt jelenti, hogy a növények anyagcsere-szükségleteik kielégítésének módja legfőbb előny az állatok számára és fordítva. A legegyszerűbben kifejezve az állatok oxigéngázt (O₂), hogy energiát nyerjen nem gáznemű szénforrásokból, és szén-dioxid-gázt (CO₂) és a víz (H₂O) a folyamat során, míg a növények CO-t használnak₂ és H₂O étel készítéséhez és O felszabadításához₂ a környezetre. Ezenkívül a világ energiájának körülbelül 87 százaléka jelenleg fosszilis üzemanyagok égetéséből származik, amelyek végső soron a fotoszintézis termékei is.

Néha azt mondják, hogy "a fotoszintézis a növényekre vonatkozik, mi a légzés az állatok számára", de ez hibás hasonlat, mivel a növények mindkettőt használják, míg az állatok csak a légzést használják. Gondoljon a fotoszintézisre, mint arra, hogy a növények hogyan fogyasztják és emésztik meg a szenet, a fényre, nem pedig a mozgásra és az étkezésre támaszkodva, hogy a szenet olyan formába hozzák, amelyet apró sejtgépek használhatnak.

A fotoszintézis annak ellenére, hogy az élőlények jelentős része nem közvetlenül használja fel őket, igen ésszerűen tekintik az egyetlen kémiai folyamatnak, amely felelős az élet folyamatos létezésének biztosításáért Maga a Föld. A fotoszintetikus sejtek CO-t vesznek fel₂ és H₂A szervezet által a környezetből gyűjtött O és felhasználja a napfény energiáját a glükóz (C₆H₁₂O₆), felszabadítva O-t₂ mint salakanyag. Ezt a glükózt ezután a növény különböző sejtjei ugyanúgy feldolgozzák, mint az állat a glükózt sejtek: Légzésen megy keresztül, hogy energiát adenozin-trifoszfát (ATP) formájában felszabadítson, és felszabadítja CO₂ mint salakanyag. (A fitoplankton és a cianobaktériumok szintén felhasználják a fotoszintézist, de e vita céljából a fotoszintetikus sejteket tartalmazó organizmusokat általában "növényeknek" nevezik.)

Azokat a szervezeteket, amelyek fotoszintézist használnak a glükóz előállításához, autotrófoknak nevezzük, ami lazán lefordít a görögből az "önellátásra". Vagyis a növények nem támaszkodnak közvetlenül más élőlényekre táplálékként. Az állatok viszont heterotrófok ("egyéb táplálékok"), mert növekedésük és életben maradásuk érdekében más élő forrásokból kell szén-dioxidot bevenniük.

A fotoszintézist redoxreakciónak tekintik. A Redox a "redukció-oxidáció" rövidítése, amely leírja, hogy mi történik atom szinten a különféle biokémiai reakciókban. A fotoszintézisnek nevezett reakciósor teljes és kiegyensúlyozott képlete, amelynek összetevőit hamarosan feltárjuk:

6H₂O + fény + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Magának ellenőrizheti, hogy az egyes atomtípusok száma megegyezik-e a nyíl mindkét oldalán: hat szénatom, 12 hidrogénatom és 18 oxigénatom.

A redukció az elektronok eltávolítása egy atomból vagy molekulából, míg az oxidáció az elektronok nyerése. Ennek megfelelõen azokat a vegyületeket, amelyek könnyen hoznak elektronokat más vegyületekhez, oxidáló szereknek, míg azokat, amelyek hajlamosak elektronokat nyerni, redukáló szereknek. A redox-reakciók általában hidrogén hozzáadását jelentik a redukált vegyülethez.

A fotoszintézis első lépését úgy lehet összefoglalni, hogy "legyen fény". A napfény megüti a növények felületét, és mozgásba hozza az egész folyamatot. Már gyaníthatja, hogy sok növény miért néz ki úgy, ahogy kinéz: Nagyon sok felület van levél és azokat támogató ágak, amelyek szükségtelennek (bár vonzónak) tűnnek, ha nem tudod, miért épülnek fel ezek az organizmusok Ily módon. A növény "célja" az, hogy amennyire csak lehet, napfénynek tegye ki magát - így a legrövidebb, legkisebb a növények bármelyik ökoszisztémában inkább hasonlítanak egy állatalom runjára, mivel mindketten küzdenek az elegendő mennyiség megszerzéséért energia. A levelek nem meglepő módon rendkívül sűrűek a fotoszintetikus sejtekben.

Ezek a sejtek gazdagok kloroplasztnak nevezett organizmusokban, ahol a fotoszintézis munkáját végzik, akárcsak a mitokondriumok azok az organellumok, amelyekben a légzés bekövetkezik. Valójában a kloroplasztok és a mitokondriumok struktúrájukban meglehetősen hasonlóak, ami - mint a biológia világában gyakorlatilag minden - képes ). A kloroplasztik olyan speciális pigmenteket tartalmaznak, amelyek optimálisan elnyelik a fényenergiát, nem pedig visszaverik azt. Ami inkább visszatükröződik, mintsem felszívódik, az előfordulhat, hogy egy hullámhossz-tartományban van, amelyet az emberi szem és az agy meghatározott színként értelmez (célzás: "g" -nel kezdődik). Az erre a célra használt fő pigment klorofill néven ismert.

A kloroplasztokat kettős plazmamembrán veszi körül, ahogyan ez az összes élő sejt, valamint az azokban található organellák esetében történik. Növényekben azonban a plazma kétrétegben van egy harmadik membrán, amelyet tilakoid membránnak neveznek. Ez a membrán nagyon kiterjedten van összehajtva, így az egymás tetejére rakott, másfajta struktúrák jönnek létre, nem úgy, mint egy csomag lélegzet-menta. Ezek a tilakoid szerkezetek klorofillt tartalmaznak. A belső kloroplaszt membrán és a tilakoid membrán közötti teret nevezzük sztrómának.

A fotoszintézis fényfüggő és fényfüggetlen reakciók halmazára oszlik, ezeket általában világos és sötét reakcióknak nevezik, és később részletesen leírják. Amint arra következtethetett, először a fényreakciók következnek be.

Amikor a napfény megüt a tilakoidok belsejében található klorofillal és más pigmentekkel, lényegében lazán felrobban a klorofillban lévő atomok elektronjai és protonjai, és magasabb energiaszintre emelik őket, szabadabbá téve őket vándorol. Az elektronokat az elektrontranszportlánc-reakciókba terelik, amelyek magukon a tilakoid membránon bontakoznak ki. Itt az elektron-akceptorok, mint például a NADP, megkapják ezen elektronok egy részét, amelyeket szintén az ATP szintézisének meghajtására használnak. Az ATP lényegében a sejteknek szól, hogy mit jelentenek az Egyesült Államok pénzügyi rendszerei: ez az "energiavaluta", amelynek segítségével gyakorlatilag minden anyagcsere-folyamat végbemegy.

Amíg ez történik, a napfürdő klorofill molekulák hirtelen elektronhiányosnak találták magukat. Itt lép be a víz a súrlódásba, és hidrogén formájában pótló elektronokkal járul hozzá, ezáltal csökkentve a klorofillt. Hiányzó hidrogénével az egykor víz ma molekuláris oxigén - O₂. Ez az oxigén a sejtből és a növényből teljes egészében diffundál, és némelyikének pontosan ebben a másodpercben sikerült eljutnia a saját tüdejébe.

A fotoszintézist endergon reakciónak nevezik, mert a továbbhaladáshoz energiabevitelre van szükség. A Nap a bolygó minden energiájának legfőbb forrása (ezt a tényt valamilyen szinten talán megértik a különféle emberek olyan ókori kultúrák, amelyek a napot önmagában istenségnek tekintették) és a növények elsőként elfogják produktív felhasználás. Ezen energia nélkül nem lenne mód a szén-dioxid, egy kicsi, egyszerű molekula átalakítására glükózzá, lényegesen nagyobb és összetettebb molekulává. Képzelje el magát, hogy felmegy egy lépcsőn, miközben valahogy nem fáraszt energiát, és láthatja a növények problémáját.

Számtani értelemben az endergon reakciók azok, amelyekben a termékek energiaszintje magasabb, mint a reaktánsoké. Ezen reakciók ellentétét, energetikailag szólva, exergonikusnak nevezzük, amelyben a termékek energiája alacsonyabb, mint a reakcióké, és ezáltal az energia felszabadul a reakció során. (Ez gyakran hő formájában jelentkezik - ismét melegszik-e, vagy hűvösebbé válik a testmozgással?) Ezt a reakció szabad energiájának ΔG ° -ában fejezzük ki, amely fotoszintézis esetén +479 kJ ⋅ mol^-1 vagy 479 joule energia molonként. A pozitív jel endoterm reakciót, míg a negatív jel exoterm folyamatot jelez.

A fényreakciókban a vizet a napfény szétválasztja, míg a sötét reakcióban a protonok (H⁺) és elektronok (pl⁻) a fényreakciók során felszabaduló glükóz és más szénhidrátok CO₂.

A fényreakciókat a következő képlet adja meg:

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

és a sötét reakciókat a következők adják:

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

Összességében ez adja a fenti egyenletet:

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

Láthatja, hogy mindkét reakciókészlet endergonikus, a fényreakciók erősebben.

Az energia-összekapcsolás az élő rendszerekben azt jelenti, hogy egy folyamatból rendelkezésre bocsátott energiát felhasználnak más folyamatok hajtására, amelyek egyébként nem történnének meg. Maga a társadalom valamilyen módon működik így: A vállalkozásoknak gyakran nagy összegeket kell kölcsönkérniük előre, hogy kiszállhassanak de ezek a vállalkozások némelyike ​​rendkívül nyereségessé válik, és forrásokat bocsát rendelkezésre más induló vállalkozások számára társaságok.

A fotoszintézis jó példa az energiacsatolásra, mivel a napfényből származó energia a kloroplasztikus reakciókhoz kapcsolódik, így a reakciók kibontakozhatnak. A növény végül megjutalmazza a globális szén-körforgást azáltal, hogy azonnal vagy a jövőben szintetizálja a glükózt és más szénvegyületeket, amelyek más reakciókhoz kapcsolhatók. Például a búzanövények keményítőt állítanak elő, és világszerte fő táplálékforrásként használják emberek és más állatok számára. De a növények által előállított glükóz nem minden tárolódik; egy része a növényi sejtek különböző részeibe jut, ahol a glikolízis során felszabaduló energia végső soron a növény mitokondriumában lejátszódó reakciókhoz kapcsolódik, amelyek ATP képződését eredményezik. Míg a növények az élelmiszerlánc alját képviselik, széles körben passzív energiának és oxigénnek tekintik őket donorok, saját anyagcsere-szükségleteik vannak, nagyobbaknak kell növekedniük és szaporodniuk kell, mint másoknak élőlények.

Egyébként a hallgatóknak gyakran nehézségeik vannak megtanulni a kémiai reakciók kiegyensúlyozását, ha azokat nem kiegyensúlyozott formában nyújtják. Ennek eredményeként, a bütykölés során a hallgatók kísértést érezhetnek, hogy a kiegyensúlyozott eredmény elérése érdekében a reakcióban megváltoztassák az előfizetők értékét a molekulákban. Ez a zavart abból adhatja, hogy tudjuk, hogy megengedett a molekulák előtti számok megváltoztatása a reakciók kiegyensúlyozása érdekében. Bármely molekula indexének megváltoztatása azt a molekulát teljesen más molekulává változtatja. Például O megváltoztatása₂ is₃ nem csupán 50% -kal több oxigént ad hozzá tömegben; az oxigént gáz ózonná változtatja, amely távolról sem vesz részt a vizsgált reakcióban.