איזה סוג תגובה היא פוטוסינתזה?

ללא סדרת התגובות הכימיות המכונות ביחד בשם פוטוסינתזה, לא היית כאן וגם אף אחד אחר לא מכיר. זה עשוי להראות בך טענה מוזרה אם ידעת במקרה שהפוטוסינתזה היא בלעדית לצמחים ולמעט מיקרואורגניזמים, ושלא לתא אחד בגופך או של בעל חיים כלשהו יש את המנגנון לבצע מבחר תגובות אלגנטי זה. מה נותן?

במילים פשוטות, חיי צמחים וחיי בעלי חיים הם כמעט סימביוטיים לחלוטין, כלומר הדרך שבה הצמחים ממלאים את צרכיהם המטבוליים היא תועלת עילאית לבעלי חיים ולהיפך. במילים הפשוטות ביותר, בעלי חיים מכניסים גז חמצן (O₂) להפיק אנרגיה ממקורות פחמן שאינם גזיים ומפריש גז פחמן דו חמצני (CO₂) ומים (ח₂O) בתהליך, בעוד צמחים משתמשים ב- CO₂ ו- H₂O להכין אוכל ולשחרר O₂ לאיכות הסביבה. בנוסף, כ -87% מהאנרגיה בעולם נגזרת כיום משריפת דלקים מאובנים, שהם בסופו של דבר גם תוצרים של פוטוסינתזה.

לפעמים נאמר ש"פוטוסינתזה היא לצמחים מהי נשימה לבעלי חיים ", אך זו אנלוגיה לקויה מכיוון שצמחים עושים שימוש בשניהם, בעוד שבעלי חיים משתמשים רק בנשימה. חשוב על פוטוסינתזה כדרך הצמחים צורכים ומעכלים פחמן, תוך הסתמכות על אור ולא על תנועה ועל פעולת האכילה כדי להכניס פחמן בצורה שמכונות סלולריות זעירות יכולות להשתמש בהן.

פוטוסינתזה, למרות שאינה בשימוש ישיר על ידי חלק משמעותי של יצורים חיים, יכולה להיות נתפס באופן סביר כתהליך הכימי האחראי להבטחת קיומם המתמשך של החיים כדור הארץ עצמו. תאים פוטוסינתטיים לוקחים CO₂ ו- H₂O שנאסף על ידי האורגניזם מהסביבה ומשתמש באנרגיה מאור השמש להפעלת הסינתזה של גלוקוז (C₆ה₁₂או₆), משחרר את O₂ כמוצר פסולת. לאחר מכן מעבד גלוקוז זה על ידי תאים שונים בצמח באותו אופן בו משתמשים בגלוקוז על ידי בעלי חיים תאים: הוא עובר נשימה כדי לשחרר אנרגיה בצורה של אדנוזין טריפוספט (ATP) ומשחרר שיתוף₂ כמוצר פסולת. (פיטופלנקטון וציאנובקטריה משתמשים גם בפוטוסינתזה, אך לצורך דיון זה, אורגניזמים המכילים תאים פוטוסינתטיים מכונים באופן כללי "צמחים").

אורגניזמים המשתמשים בפוטוסינתזה לייצור גלוקוז מכונים אוטוטרופים, המיתרגמים באופן רופף מיוונית ל"מזון עצמי ". כלומר, צמחים אינם מסתמכים על אורגניזמים אחרים ישירות למאכל. לעומת זאת, בעלי חיים הם הטרוטרופים ("מזון אחר") מכיוון שהם צריכים לבלוע פחמן ממקורות חיים אחרים כדי לגדול ולהישאר בחיים.

פוטוסינתזה נחשבת לתגובת חמצון. Redox הוא קיצור של "צמצום-חמצון", המתאר את המתרחש ברמה האטומית בתגובות הביוכימיות השונות. הנוסחה השלמה והמאוזנת לסדרת התגובות הנקראת פוטוסינתזה - שמרכיביה נחקרו בקרוב - היא:

6H₂O + אור + 6CO₂ → ג₆ה₁₂או₆ + 6O₂

אתה יכול לוודא בעצמך שמספר כל אטום זהה בכל צד של החץ: שישה אטומי פחמן, 12 אטומי מימן ו -18 אטומי חמצן.

הפחתה היא הוצאת אלקטרונים מאטום או ממולקולה, ואילו חמצון הוא השגת אלקטרונים. בהתאמה, תרכובות המניבות אלקטרונים בקלות לתרכובות אחרות נקראות חומרים מחמצנים, ואילו אלה הנוטים לצבור אלקטרונים נקראים סוכני צמצום. תגובות חמצון בדרך כלל כוללות תוספת של מימן לתרכובת המופחתת.

ניתן לסכם את השלב הראשון בפוטוסינתזה כ"יהי אור ". אור השמש מכה על פני הצמחים ומניע את כל התהליך. אולי כבר חושדים מדוע צמחים רבים נראים כפי שהם נראים: שטח פנים רב בצורת עלים ו ענפים התומכים בהם שנראים מיותרים (אם כי מושכים) אם אינך יודע מדוע אורגניזמים אלה בנויים בדרך זו. "מטרתו" של הצמח היא לחשוף כמה שיותר מעצמו לאור השמש שהוא יכול - מה שהופך את הקצר ביותר, הקטן ביותר צמחים בכל מערכת אקולוגית ולא כמו רונות של המלטה של ​​בעלי חיים בכך ששניהם נאבקים להשיג מספיק אֵנֶרְגִיָה. עלים, באופן לא מפתיע, צפופים מאוד בתאים פוטוסינתטיים.

תאים אלה עשירים באורגניזמים הנקראים כלורופלסטים, שם נעשית עבודת הפוטוסינתזה, ממש כמו המיטוכונדריה הם האברונים בהם מתרחשת הנשימה. למעשה, כלורופלסטים ומיטוכונדריה דומים מבנית למדי, עובדה שכמו כמעט כל דבר בעולם הביולוגיה יכולה ניתן לייחס לנפלאות האבולוציה.) כלורופלסטים מכילים פיגמנטים מיוחדים הסופגים בצורה מיטבית את אנרגיית האור ולא משקפים זה. מה שמשתקף ולא נספג קורה בטווח אורכי גל שמתפרשים על ידי העין והמוח האנושי כצבע מסוים (רמז: זה מתחיל ב- "g"). הפיגמנט העיקרי המשמש למטרה זו מכונה כלורופיל.

כלורופלסטים מוקפים בקרום פלזמה כפול, כפי שקורה בכל התאים החיים וכן באברונים שהם מכילים. בצמחים, לעומת זאת, קיים קרום שלישי הפנימי לשכבת הדו-פלזמה, המכונה קרום תילקואידי. קרום זה מקופל בצורה נרחבת מאוד כך שמבנים לא אוהבים המונחים זה על גבי זה נובעים, שלא כמו חבילה של נענע נשימה. מבנים תילקואידיים אלה מכילים כלורופיל. החלל שבין קרום הכלורופלסט הפנימי לקרום התילקואידי נקרא סטרומה.

הפוטוסינתזה מחולקת למערך של תגובות תלויות אור ובלתי תלויות אור, המכונות בדרך כלל תגובות האור והחושך ומתוארות בפירוט בהמשך. כפי שאולי סיכמת, תגובות האור מתרחשות קודם.

כאשר אור מהשמש פוגע בכלורופיל ובפיגמנטים אחרים בתוך התילקואידים, הוא בעצם מתפוצץ אלקטרונים ופרוטונים מהאטומים בכלורופיל ומעלים אותם לרמת אנרגיה גבוהה יותר, מה שהופך אותם לחופשיים יותר להגר. האלקטרונים מופנים לתגובות שרשרת הובלת האלקטרונים הנפרשות על קרום התילקואיד עצמו. כאן, מקבלי אלקטרונים כמו NADP מקבלים חלק מהאלקטרונים הללו, המשמשים גם להנעת הסינתזה של ATP. ה- ATP הוא למעשה לתאים מה הם דולרים למערכת הפיננסית בארה"ב: זהו "מטבע האנרגיה" שבאמצעותו כמעט כל התהליכים המטבוליים מתבצעים.

בזמן שזה קורה, מולקולות הכלורופיל רוחשות השמש פתאום מצאו את עצמן חסרות אלקטרונים. זה המקום שבו מים נכנסים למערכה ותורמים אלקטרונים חלופיים בצורת מימן, ובכך מפחיתים את הכלורופיל. כשהמימן שלו נעלם, מה שהיה פעם מים הוא עכשיו חמצן מולקולרי - O₂. החמצן הזה מתפזר לגמרי מהתא ומחוצה לצמח, וחלק ממנו הצליח למצוא את דרכו לריאות שלך בדיוק בשנייה זו.

פוטוסינתזה מכונה תגובה אנדרגונית מכיוון שהיא דורשת קלט של אנרגיה כדי להמשיך. השמש היא המקור האולטימטיבי לכל האנרגיה על פני כדור הארץ (עובדה שאולי מובנת ברמה כלשהי על ידי השונים תרבויות של ימי קדם שראו את השמש אלוהות בפני עצמה) וצמחים הם הראשונים ליירט אותה שימוש פרודוקטיבי. ללא אנרגיה זו, לא הייתה דרך להמיר פחמן דו חמצני, מולקולה קטנה ופשוטה, לגלוקוז, מולקולה גדולה ומורכבת במידה ניכרת. דמיין את עצמך עולה במדרגות בזמן שאיכשהו לא מוציא שום אנרגיה, ותוכל לראות את הבעיה שעומדים בפני צמחים.

במונחים אריתמטיים, תגובות אנדרגוניות הן כאלה שבהן למוצרים יש רמת אנרגיה גבוהה מזו של המגיבים. ההפך מתגובות אלו נקרא אנרג'גונית, מבחינה אנרגטית, שבהן למוצרים יש אנרגיה נמוכה יותר מהתגובות והאנרגיה משתחררת בכך במהלך התגובה. (זה בדרך כלל בצורה של חום - שוב, האם אתה מתחמם או שאתה מתקרר עם פעילות גופנית?) זה מתבטא במונחים של האנרגיה החופשית ΔG ° של התגובה, אשר לפוטוסינתזה הוא +479 kJ ⋅ mol^-1 או 479 ג'אול אנרגיה לשומה. הסימן החיובי מעיד על תגובה אנדותרמית ואילו סימן שלילי מעיד על תהליך אקסותרמי.

בתגובות האור, מים מתפרקים על ידי אור השמש, ואילו בתגובות החשוכות הפרוטונים (H⁺) ואלקטרונים (ה⁻) המשוחררים בתגובות האור משמשים להרכבת גלוקוז ופחמימות אחרות מ- CO₂.

תגובות האור ניתנות על ידי הנוסחה:

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

והתגובות האפלות ניתנות על ידי:

שיתוף₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → CH₂O + H₂O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol⁻¹)

בסך הכל, זה מניב את המשוואה המלאה שנחשפה לעיל:

ה₂O + אור + CO₂ → CH₂O + O₂(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol⁻¹)

אתה יכול לראות ששתי קבוצות התגובות הן אנדרגוניות, התגובות האור חזקות יותר.

צימוד אנרגיה במערכות חיות פירושו שימוש באנרגיה המופעלת מתהליך אחד כדי להניע תהליכים אחרים שאחרת לא היו מתרחשים. החברה עצמה עובדת בצורה כזו: לעתים קרובות עסקים צריכים ללוות סכומי כסף גדולים מראש כדי לרדת מההון אך בסופו של דבר חלק מהעסקים הללו הופכים לרווחיים מאוד ויכולים להעמיד כספים לסטארט-אפים אחרים חברות.

פוטוסינתזה מייצגת דוגמה טובה לצימוד אנרגיה, מכיוון שאנרגיה מאור השמש משולבת לתגובות בכלורופלסטים כך שהתגובות יכולות להתפתח. בסופו של דבר המפעל מתגמל את מחזור הפחמן הגלובלי על ידי סינתזת גלוקוז ותרכובות פחמן אחרות שניתן לחבר לתגובות אחרות, באופן מיידי או בעתיד. לדוגמא, צמחי חיטה מייצרים עמילן, המשמשים בעולם כמקור מזון עיקרי לבני אדם ובעלי חיים אחרים. אך לא כל הגלוקוז שמייצר צמחים מאוחסן; חלקו ממשיך לחלקים שונים של תאי הצמח, כאשר האנרגיה המשוחררת בגליקוליזה קשורה בסופו של דבר לתגובות במיטוכונדריה הצמחית המביאה ליצירת ATP. בעוד שצמחים מייצגים את תחתית שרשרת המזון ונתפסים באופן נרחב כאנרגיה פסיבית וחמצן לתורמים, יש להם צרכים מטבוליים משלהם, שהם צריכים לגדול ולהתרבות בדיוק כמו אחרים אורגניזמים.

כאמור, לעיתים קרובות התלמידים מתקשים ללמוד לאזן בין תגובות כימיות אם אלה לא ניתנים בצורה מאוזנת. כתוצאה מכך, בהתעסקותם התלמידים עשויים להתפתות לשנות את ערכי מנויי המולקולות בתגובה על מנת להשיג תוצאה מאוזנת. בלבול זה עשוי לנבוע מהידיעה שמותר לשנות את המספרים מול המולקולות בכדי לאזן את התגובות. שינוי כתב המשנה של כל מולקולה הופך את המולקולה למולקולה אחרת לגמרי. לדוגמא, שינוי O₂ ל O₃ אינו רק מוסיף 50 אחוז יותר חמצן מבחינת המסה; הוא משנה גז חמצן לאוזון, שלא ישתתף בתגובה הנחקרת באופן דומה מרחוק.