Che tipo di reazione è la fotosintesi?

Senza la serie di reazioni chimiche note collettivamente come fotosintesi, non saresti qui e nemmeno nessun altro che conosci. Questo potrebbe sembrare un'affermazione strana se ti capita di sapere che la fotosintesi è esclusiva delle piante e di alcuni microrganismi, e che non una singola cellula del tuo corpo o di qualsiasi animale ha l'apparato per eseguire questo elegante assortimento di reazioni. Cosa dà?

In parole povere, la vita vegetale e quella animale sono quasi perfettamente simbiotiche, il che significa che il modo in cui le piante soddisfano i loro bisogni metabolici è di supremo beneficio per gli animali e viceversa. In termini più semplici, gli animali assorbono ossigeno gassoso (O₂) per ricavare energia da fonti di carbonio non gassose ed espellere anidride carbonica (CO₂) e acqua (H₂O) nel processo, mentre gli impianti utilizzano CO₂ e H₂O per fare il cibo e liberare O₂ all'ambiente. Inoltre, circa l'87 percento dell'energia mondiale deriva attualmente dalla combustione di combustibili fossili, che sono anche prodotti della fotosintesi.

A volte si dice che "la fotosintesi è per le piante ciò che la respirazione è per gli animali", ma questa è un'analogia errata perché le piante usano entrambi, mentre gli animali usano solo la respirazione. Pensa alla fotosintesi come al modo in cui le piante consumano e digeriscono il carbonio, facendo affidamento sulla luce piuttosto che sulla locomozione e l'atto di mangiare per mettere il carbonio in una forma che le minuscole macchine cellulari possono utilizzare.

La fotosintesi, pur non essendo utilizzata direttamente da una frazione significativa di esseri viventi, può essere ragionevolmente considerato come l'unico processo chimico responsabile di garantire l'esistenza continua della vita su Terra stessa. Le cellule fotosintetiche assorbono CO₂ e H₂O raccolto dall'organismo dall'ambiente e utilizza l'energia della luce solare per alimentare la sintesi del glucosio (C₆H₁₂oh₆), rilasciando O₂ come prodotto di scarto. Questo glucosio viene quindi elaborato da diverse cellule della pianta nello stesso modo in cui il glucosio viene utilizzato dagli animali cellule: subisce la respirazione per rilasciare energia sotto forma di adenosina trifosfato (ATP) e rilascia CO₂ come prodotto di scarto. (Anche il fitoplancton e i cianobatteri fanno uso della fotosintesi, ma ai fini di questa discussione, gli organismi contenenti cellule fotosintetiche sono indicati genericamente come "piante".)

Gli organismi che usano la fotosintesi per produrre glucosio sono chiamati autotrofi, che si traduce liberamente dal greco in "auto-cibo". Cioè, le piante non si affidano direttamente ad altri organismi per il cibo. Gli animali, invece, sono eterotrofi ("altro cibo") perché devono ingerire carbonio da altre fonti viventi per crescere e rimanere in vita.

La fotosintesi è considerata una reazione redox. Redox è l'abbreviazione di "riduzione-ossidazione", che descrive ciò che avviene a livello atomico nelle varie reazioni biochimiche. La formula completa ed equilibrata per la serie di reazioni chiamate fotosintesi – i cui componenti verranno esplorati a breve – è:

6H₂O + luce + 6CO₂ → C₆H₁₂oh₆ + 6O₂

Puoi verificare tu stesso che il numero di ciascun tipo di atomo è lo stesso su ciascun lato della freccia: sei atomi di carbonio, 12 atomi di idrogeno e 18 atomi di ossigeno.

La riduzione è la rimozione di elettroni da un atomo o da una molecola, mentre l'ossidazione è l'acquisizione di elettroni. Corrispondentemente, i composti che cedono facilmente elettroni ad altri composti sono chiamati agenti ossidanti, mentre quelli che tendono ad acquisire elettroni sono chiamati agenti riducenti. Le reazioni redox di solito comportano l'aggiunta di idrogeno al composto che viene ridotto.

Il primo passo nella fotosintesi potrebbe essere riassunto come "lascia che ci sia luce". La luce del sole colpisce la superficie delle piante, mettendo in moto l'intero processo. Potresti già sospettare il motivo per cui molte piante hanno l'aspetto che hanno: una grande superficie sotto forma di foglie e rami che li sorreggono che appaiono inutili (seppur attraenti) se non si sa perché sono strutturati questi organismi Da questa parte. L'"obiettivo" della pianta è quello di esporsi il più possibile alla luce del sole, rendendo il più corto, il più piccolo le piante in qualsiasi ecosistema assomigliano piuttosto ai piccoli di una lettiera animale in quanto entrambi lottano per ottenere abbastanza energia. Le foglie, non a caso, sono estremamente dense nelle cellule fotosintetiche.

Queste cellule sono ricche di organismi chiamati cloroplasti, che è il luogo in cui viene svolto il lavoro della fotosintesi, proprio come i mitocondri sono gli organelli in cui avviene la respirazione. Infatti, cloroplasti e mitocondri sono strutturalmente abbastanza simili, fatto che, come praticamente tutto nel mondo della biologia, può essere ricondotto alle meraviglie dell'evoluzione.) I cloroplasti contengono pigmenti specializzati che assorbono in modo ottimale l'energia luminosa anziché riflettere esso. Ciò che viene riflesso piuttosto che assorbito si trova in una gamma di lunghezze d'onda che viene interpretata dall'occhio umano e dal cervello come un colore particolare (suggerimento: inizia con "g"). Il pigmento principale utilizzato per questo scopo è noto come clorofilla.

I cloroplasti sono circondati da una doppia membrana plasmatica, come nel caso di tutte le cellule viventi e degli organelli che contengono. Nelle piante, tuttavia, esiste una terza membrana interna al doppio strato plasmatico, chiamata membrana tilacoide. Questa membrana è piegata molto estesamente in modo che le strutture simili a dischi impilate l'una sull'altra risultino, non diversamente da un pacchetto di mentine per l'alito. Queste strutture tilacoidi contengono clorofilla. Lo spazio tra la membrana interna del cloroplasto e la membrana tilacoide è chiamato stroma.

La fotosintesi è suddivisa in un insieme di reazioni dipendenti dalla luce e indipendenti dalla luce, solitamente chiamate reazioni di luce e oscurità e descritte in dettaglio in seguito. Come avrai concluso, le reazioni alla luce si verificano per prime.

Quando la luce del sole colpisce la clorofilla e altri pigmenti all'interno dei tilacoidi, essenzialmente si libera elettroni e protoni dagli atomi della clorofilla e li eleva ad un livello energetico superiore, rendendoli più liberi di migrare. Gli elettroni vengono deviati nelle reazioni a catena di trasporto degli elettroni che si svolgono sulla membrana tilacoide stessa. Qui, gli accettori di elettroni come NADP ricevono alcuni di questi elettroni, che sono anche usati per guidare la sintesi dell'ATP. L'ATP è essenzialmente per le cellule ciò che i dollari sono per il sistema finanziario degli Stati Uniti: è "la valuta energetica" con cui vengono eseguiti praticamente tutti i processi metabolici.

Mentre questo accade, le molecole di clorofilla che prendono il sole si sono improvvisamente trovate a corto di elettroni. È qui che l'acqua entra nella mischia e fornisce elettroni sostitutivi sotto forma di idrogeno, riducendo così la clorofilla. Con il suo idrogeno scomparso, quella che una volta era acqua ora è ossigeno molecolare – O₂. Questo ossigeno si diffonde completamente fuori dalla cellula e fuori dalla pianta, e parte di esso è riuscito a penetrare nei vostri polmoni proprio in questo secondo.

La fotosintesi è definita una reazione endorgonica perché richiede un apporto di energia per procedere. Il sole è la fonte ultima di tutta l'energia del pianeta (un fatto forse compreso a un certo livello dai vari culture dell'antichità che consideravano il sole una divinità a sé stante) e le piante sono le prime ad intercettarlo per uso produttivo. Senza questa energia, non ci sarebbe modo per l'anidride carbonica, una molecola piccola e semplice, di essere convertita in glucosio, una molecola considerevolmente più grande e complessa. Immagina di salire una rampa di scale mentre in qualche modo non spendi alcuna energia e puoi vedere il problema affrontato dalle piante.

In termini aritmetici, le reazioni endergoniche sono quelle in cui i prodotti hanno un livello energetico più elevato rispetto ai reagenti. L'opposto di queste reazioni, energeticamente parlando, sono chiamate esoergoniche, in cui i prodotti hanno un'energia inferiore alle reazioni e l'energia viene quindi liberata durante la reazione. (Questo è spesso sotto forma di calore - di nuovo, diventi più caldo o diventi più freddo con l'esercizio?) Questa è espressa in termini di energia libera ΔG° della reazione, che per la fotosintesi è +479 kJ ⋅ mole^-1 o 479 joule di energia per mole. Il segno positivo indica una reazione endotermica, mentre un segno negativo indica un processo esotermico.

Nelle reazioni alla luce, l'acqua viene scomposta dalla luce solare, mentre nelle reazioni al buio, i protoni (H⁺) ed elettroni (e⁻) liberati nelle reazioni alla luce vengono utilizzati per assemblare glucosio e altri carboidrati dalla CO₂.

Le reazioni alla luce sono date dalla formula:

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

e le reazioni oscure sono date da:

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

Nel complesso, questo produce l'equazione completa rivelata sopra:

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

Puoi vedere che entrambi gli insiemi di reazioni sono endergonici, le reazioni alla luce in modo più forte.

L'accoppiamento energetico nei sistemi viventi significa utilizzare l'energia resa disponibile da un processo per guidare altri processi che altrimenti non avrebbero luogo. La società stessa funziona in un certo senso in questo modo: le aziende spesso devono prendere in prestito ingenti somme di denaro in anticipo per uscirne terreno, ma alla fine alcune di queste attività diventano altamente redditizie e possono rendere disponibili fondi per altre start-up aziende.

La fotosintesi rappresenta un buon esempio di accoppiamento energetico, poiché l'energia della luce solare è accoppiata alle reazioni nei cloroplasti in modo che le reazioni possano svolgersi. La pianta alla fine premia il ciclo globale del carbonio sintetizzando glucosio e altri composti del carbonio che possono essere accoppiati ad altre reazioni, immediatamente o in futuro. Ad esempio, le piante di grano producono amido, utilizzato in tutto il mondo come principale fonte di cibo per l'uomo e altri animali. Ma non tutto il glucosio prodotto dalle piante viene immagazzinato; parte di esso procede a diverse parti delle cellule vegetali, dove l'energia liberata nella glicolisi viene infine accoppiata a reazioni nei mitocondri vegetali che portano alla formazione di ATP. Mentre le piante rappresentano la parte inferiore della catena alimentare e sono ampiamente viste come energia passiva e ossigeno donatori, hanno esigenze metaboliche proprie, dovendo ingrandirsi e riprodursi proprio come gli altri organismi.

Per inciso, gli studenti spesso hanno difficoltà a imparare a bilanciare le reazioni chimiche se queste non sono fornite in forma bilanciata. Di conseguenza, nel loro armeggiare, gli studenti possono essere tentati di modificare i valori dei pedici nelle molecole nella reazione per ottenere un risultato equilibrato. Questa confusione può derivare dal sapere che è lecito cambiare i numeri davanti alle molecole per bilanciare le reazioni. La modifica del pedice di qualsiasi molecola trasforma quella molecola in una molecola completamente diversa. Ad esempio, cambiando O₂ pure₃ non si limita ad aggiungere il 50 percento in più di ossigeno in termini di massa; trasforma l'ossigeno gassoso in ozono, che non parteciperebbe alla reazione in studio in modo lontanamente simile.