Wat voor soort reactie is fotosynthese?

Zonder de reeks chemische reacties die gezamenlijk bekend staan ​​als fotosynthese, zou u hier niet zijn en ook niemand anders die u kent. Dit lijkt je misschien een vreemde bewering als je weet dat fotosynthese exclusief is voor planten en een paar micro-organismen, en dat geen enkele cel in uw lichaam of dat van welk dier dan ook het apparaat heeft om deze elegante reeks reacties uit te voeren. Wat geeft?

Simpel gezegd, planten en dieren zijn bijna perfect symbiotisch, wat betekent dat de manier waarop planten hun metabolische behoeften vervullen, van het grootste voordeel is voor dieren en vice versa. In de eenvoudigste bewoordingen nemen dieren zuurstofgas (O₂) om energie te halen uit niet-gasvormige koolstofbronnen en koolstofdioxidegas uit te scheiden (CO₂) en water (H₂O) in het proces, terwijl planten CO. gebruiken₂ en H₂O om voedsel te maken en los te laten O₂ naar de omgeving. Bovendien wordt momenteel ongeveer 87 procent van de energie in de wereld gewonnen uit de verbranding van fossiele brandstoffen, die uiteindelijk ook het product zijn van fotosynthese.

Er wordt wel eens gezegd dat "fotosynthese voor planten is wat ademhaling is voor dieren", maar dit is een gebrekkige analogie omdat planten van beide gebruikmaken, terwijl dieren alleen ademhaling gebruiken. Zie fotosynthese als de manier waarop planten koolstof consumeren en verteren, waarbij ze vertrouwen op licht in plaats van voortbeweging en het eten om koolstof in een vorm te brengen die kleine cellulaire machines kunnen gebruiken.

Fotosynthese, ondanks dat het niet direct wordt gebruikt door een aanzienlijk deel van de levende wezens, kan redelijkerwijs gezien als het enige chemische proces dat verantwoordelijk is voor het voortbestaan ​​van het leven op Aarde zelf. Fotosynthetische cellen nemen CO. op₂ en H₂O verzameld door het organisme uit de omgeving en gebruik de energie uit zonlicht om de synthese van glucose aan te drijven (C₆H₁₂O₆), O. loslaten₂ als afvalproduct. Deze glucose wordt vervolgens door verschillende cellen in de plant verwerkt op dezelfde manier als glucose door dieren wordt gebruikt cellen: het ondergaat ademhaling om energie vrij te maken in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP) en komt vrij CO₂ als afvalproduct. (Fytoplankton en cyanobacteriën maken ook gebruik van fotosynthese, maar voor deze discussie worden organismen die fotosynthetische cellen bevatten in het algemeen "planten" genoemd.)

Organismen die fotosynthese gebruiken om glucose te maken, worden autotrofen genoemd, wat zich losjes uit het Grieks vertaalt naar 'zelfvoedsel'. Dat wil zeggen, planten zijn niet rechtstreeks afhankelijk van andere organismen voor voedsel. Dieren daarentegen zijn heterotrofen ("ander voedsel") omdat ze koolstof uit andere levende bronnen moeten opnemen om te groeien en in leven te blijven.

Fotosynthese wordt beschouwd als een redoxreactie. Redox is een afkorting voor "reductie-oxidatie", wat beschrijft wat er op atomair niveau gebeurt in de verschillende biochemische reacties. De complete, uitgebalanceerde formule voor de reeks reacties die fotosynthese wordt genoemd - waarvan de componenten binnenkort zullen worden onderzocht - is:

6H₂O + licht + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

U kunt zelf verifiëren dat het aantal van elk type atoom aan elke kant van de pijl hetzelfde is: zes koolstofatomen, 12 waterstofatomen en 18 zuurstofatomen.

Reductie is het verwijderen van elektronen van een atoom of molecuul, terwijl oxidatie het verkrijgen van elektronen is. Dienovereenkomstig worden verbindingen die gemakkelijk elektronen aan andere verbindingen afstaan, oxidatiemiddelen genoemd, terwijl verbindingen die de neiging hebben om elektronen te winnen, reductiemiddelen worden genoemd. Redoxreacties omvatten gewoonlijk de toevoeging van waterstof aan de te reduceren verbinding.

De eerste stap in de fotosynthese kan worden samengevat als "laat er licht zijn". Zonlicht valt op het oppervlak van planten en zet het hele proces in gang. Je vermoedt misschien al waarom veel planten er zo uitzien: een groot oppervlak in de vorm van bladeren en de takken die ze ondersteunen die onnodig lijken (hoewel aantrekkelijk) als je niet weet waarom deze organismen gestructureerd zijn op deze manier. Het "doel" van de plant is om zoveel mogelijk van zichzelf bloot te stellen aan zonlicht - waardoor de kortste, kleinste planten in elk ecosysteem, zoals de runts van een dierenstrooisel, omdat ze allebei moeite hebben om genoeg te krijgen energie. Bladeren zijn, niet verrassend, extreem dicht in fotosynthetische cellen.

Deze cellen zijn rijk aan organismen die chloroplasten worden genoemd, waar het werk van fotosynthese wordt gedaan, net zoals mitochondriën de organellen zijn waarin ademhaling plaatsvindt. In feite zijn chloroplasten en mitochondriën structureel vrij gelijkaardig, een feit dat, zoals praktisch alles in de wereld van de biologie, kan kunnen worden herleid tot de wonderen van de evolutie.) Chloroplasten bevatten gespecialiseerde pigmenten die lichtenergie optimaal absorberen in plaats van reflecteren het. Dat wat wordt gereflecteerd in plaats van geabsorbeerd, bevindt zich in een reeks golflengten die door het menselijk oog en de hersenen worden geïnterpreteerd als een bepaalde kleur (hint: het begint met "g"). Het belangrijkste pigment dat voor dit doel wordt gebruikt, staat bekend als chlorofyl.

Chloroplasten zijn omgeven door een dubbel plasmamembraan, zoals het geval is met alle levende cellen en de organellen die ze bevatten. In planten bestaat echter een derde membraan in de plasmadubbellaag, een thylakoïde membraan genoemd. Dit membraan is zeer uitgebreid gevouwen, zodat op elkaar gestapelde schijfachtige structuren ontstaan, niet anders dan een pakket pepermuntjes. Deze thylakoïde structuren bevatten chlorofyl. De ruimte tussen het binnenste chloroplastmembraan en het thylakoïdemembraan wordt het stroma genoemd.

Fotosynthese is verdeeld in een reeks lichtafhankelijke en lichtonafhankelijke reacties, gewoonlijk de licht- en donkerreacties genoemd en later in detail beschreven. Zoals u wellicht heeft geconcludeerd, treden eerst de lichtreacties op.

Wanneer licht van de zon het chlorofyl en andere pigmenten in de thylakoïden raakt, schiet het in wezen los elektronen en protonen uit de atomen in chlorofyl en verheft ze naar een hoger energieniveau, waardoor ze vrijer zijn om migreren. De elektronen worden omgeleid naar de elektronentransportkettingreacties die zich op het thylakoïdemembraan zelf ontvouwen. Hier ontvangen elektronenacceptoren zoals NADP enkele van deze elektronen, die ook worden gebruikt om de synthese van ATP aan te sturen. ATP is in wezen voor cellen wat dollars zijn voor het Amerikaanse financiële systeem: het is 'de energievaluta' waarmee uiteindelijk vrijwel alle metabolische processen worden uitgevoerd.

Terwijl dit gebeurt, hebben de zonnebadende chlorofylmoleculen plotseling een tekort aan elektronen. Dit is waar water de strijd binnenkomt en vervangingselektronen in de vorm van waterstof bijdraagt, waardoor het chlorofyl wordt verminderd. Nu zijn waterstof verdwenen is, is wat ooit water was nu moleculaire zuurstof - O₂. Deze zuurstof diffundeert volledig uit de cel en uit de plant, en een deel ervan heeft precies op dit moment zijn weg naar je eigen longen weten te vinden.

Fotosynthese wordt een endergonische reactie genoemd omdat er energie voor nodig is om door te gaan. De zon is de ultieme bron van alle energie op de planeet (een feit dat misschien op een bepaald niveau wordt begrepen door de verschillende culturen uit de oudheid die de zon als een godheid op zichzelf beschouwden) en planten zijn de eersten die haar onderscheppen voor productief gebruik. Zonder deze energie zou kooldioxide, een klein, eenvoudig molecuul, niet kunnen worden omgezet in glucose, een aanzienlijk groter en complexer molecuul. Stel je voor dat je een trap oploopt terwijl je op de een of andere manier geen energie verbruikt, en je ziet het probleem waarmee planten worden geconfronteerd.

In rekenkundige termen zijn endergonische reacties die waarbij de producten een hoger energieniveau hebben dan de reactanten. Het tegenovergestelde van deze reacties, energetisch gesproken, worden exergonisch genoemd, waarbij de producten een lagere energie hebben dan de reacties en daarbij energie vrijkomt tijdens de reactie. (Dit is vaak in de vorm van warmte – nogmaals, word je warmer of juist kouder door te sporten?) Dit wordt uitgedrukt in termen van de vrije energie ΔG° van de reactie, die voor fotosynthese +479 kJ ⋅ is mol^-1 of 479 joule energie per mol. Het positieve teken geeft een endotherme reactie aan, terwijl een negatief teken een exotherm proces aangeeft.

Bij de lichtreacties wordt water door zonlicht afgebroken, terwijl bij de donkerreacties de protonen (H⁺) en elektronen (e⁻) in het licht vrijgekomen reacties worden gebruikt om glucose en andere koolhydraten uit CO. te assembleren₂.

De lichtreacties worden gegeven door de formule:

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

en de donkerreacties worden gegeven door:

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

Over het algemeen levert dit de volledige vergelijking op die hierboven is onthuld:

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

Je kunt zien dat beide sets reacties endergonisch zijn, de lichtreacties sterker.

Energiekoppeling in levende systemen betekent het gebruik van energie die beschikbaar wordt gesteld door het ene proces om andere processen aan te drijven die anders niet zouden plaatsvinden. De samenleving zelf werkt als volgt: bedrijven moeten vaak vooraf grote sommen geld lenen om van de lening af te komen grond, maar uiteindelijk worden sommige van deze bedrijven zeer winstgevend en kunnen ze geld beschikbaar stellen voor andere start-ups bedrijven.

Fotosynthese is een goed voorbeeld van energiekoppeling, omdat energie uit zonlicht wordt gekoppeld aan reacties in chloroplasten zodat de reacties zich kunnen ontvouwen. De plant beloont uiteindelijk de wereldwijde koolstofcyclus door glucose en andere koolstofverbindingen te synthetiseren die onmiddellijk of in de toekomst aan andere reacties kunnen worden gekoppeld. Tarweplanten produceren bijvoorbeeld zetmeel, dat over de hele wereld wordt gebruikt als voedselbron voor mensen en andere dieren. Maar niet alle glucose die door planten wordt gemaakt, wordt opgeslagen; een deel ervan gaat naar verschillende delen van plantencellen, waar de energie die vrijkomt bij glycolyse uiteindelijk wordt gekoppeld aan reacties in de mitochondriën van de plant die resulteren in de vorming van ATP. Terwijl planten de onderkant van de voedselketen vertegenwoordigen en algemeen worden beschouwd als passieve energie en zuurstof donoren, ze hebben hun eigen stofwisselingsbehoeften, ze moeten groter worden en zich voortplanten net als andere organismen.

Even terzijde, studenten hebben vaak moeite met het leren balanceren van chemische reacties als deze niet in evenwichtige vorm worden aangeboden. Als gevolg hiervan kunnen leerlingen tijdens hun knutselwerk in de verleiding komen om de waarden van de subscripts in moleculen in de reactie te veranderen om tot een evenwichtig resultaat te komen. Deze verwarring kan voortkomen uit de wetenschap dat het toegestaan ​​is om de getallen voor de moleculen te veranderen om de reacties in evenwicht te brengen. Het veranderen van het subscript van een molecuul verandert dat molecuul in een totaal ander molecuul. Bijvoorbeeld het wijzigen van O₂ naar O₃ voegt niet alleen 50 procent meer zuurstof toe qua massa; het verandert zuurstofgas in ozon, dat niet op een enigszins vergelijkbare manier zou deelnemen aan de onderzochte reactie.