Hva slags reaksjon er fotosyntese?

Uten serien kjemiske reaksjoner som kollektivt kalles fotosyntese, ville du ikke vært her, og heller ingen andre du kjenner. Dette kan virke som et merkelig påstand hvis du tilfeldigvis vet at fotosyntese er eksklusiv for planter og noen få mikroorganismer, og at ikke en eneste celle i kroppen din eller et dyr har apparatet til å utføre dette elegante sortimentet av reaksjoner. Hva gir?

Enkelt sagt, planteliv og dyreliv er nesten perfekt symbiotiske, noe som betyr at måten planter går på for å oppfylle sine metabolske behov, er av største fordel for dyr og omvendt. Enkelt sagt tar dyr inn oksygengass (O₂) for å hente energi fra ikke-gassformige karbonkilder og skille ut karbondioksidgass (CO₂) og vann (H₂O) i prosessen, mens planter bruker CO₂ og H₂O for å lage mat og slippe O₂ til miljøet. I tillegg kommer rundt 87 prosent av verdens energi i dag fra forbrenning av fossile brensler, som til slutt også er produkter av fotosyntese.

Noen ganger sies det at "fotosyntese er for planter hva respirasjon er for dyr", men dette er en mangelfull analogi fordi planter bruker begge deler, mens dyr bare bruker respirasjon. Tenk på fotosyntese som måten planter forbruker og fordøyer karbon på, og stole på lys i stedet for bevegelse og å spise for å sette karbon i en form som små mobilmaskiner kan bruke.

Fotosyntese, til tross for at den ikke blir brukt direkte av en betydelig brøkdel av levende ting, kan være rimelig sett på som den eneste kjemiske prosessen som er ansvarlig for å sikre livets videre liv Jorden selv. Fotosyntetiske celler tar CO₂ og H₂O samlet av organismen fra miljøet og bruker energien fra sollys til å drive syntesen av glukose (C₆H₁₂O₆), slipper O₂ som avfallsprodukt. Denne glukosen blir deretter behandlet av forskjellige celler i planten på samme måte som glukose brukes av dyr celler: Den gjennomgår respirasjon for å frigjøre energi i form av adenosintrifosfat (ATP) og frigjør CO₂ som avfallsprodukt. (Fytoplankton og cyanobakterier bruker også fotosyntese, men i forbindelse med denne diskusjonen blir organismer som inneholder fotosyntetiske celler generelt referert til som "planter".)

Organismer som bruker fotosyntese for å lage glukose kalles autotrofer, som oversettes løst fra gresk til "selvmat". Det vil si at planter ikke stoler på andre organismer direkte for mat. Dyr er derimot heterotrofer ("annen mat") fordi de må innta karbon fra andre levende kilder for å vokse og forbli i live.

Fotosyntese betraktes som en redoksreaksjon. Redox er en forkortelse for "reduksjon-oksidasjon", som beskriver hva som skjer på atomnivå i de forskjellige biokjemiske reaksjonene. Den komplette, balanserte formelen for reaksjonsserien kalt fotosyntese - hvis komponenter snart vil bli utforsket - er:

6H₂O + lys + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Du kan selv bekrefte at tallet på hver type atom er det samme på hver side av pilen: Seks karbonatomer, 12 hydrogenatomer og 18 oksygenatomer.

Reduksjon er fjerning av elektroner fra et atom eller molekyl, mens oksidasjon er gevinsten av elektroner. Tilsvarende kalles forbindelser som lett gir elektroner til andre forbindelser oksidasjonsmidler, mens de som har en tendens til å få elektroner kalles reduksjonsmidler. Redoksreaksjoner innebærer vanligvis at tilsetningen av hydrogen til forbindelsen reduseres.

Det første trinnet i fotosyntese kan oppsummeres som "la det være lys." Sollys slår på overflaten av planter og setter hele prosessen i bevegelse. Du mistenker kanskje hvorfor mange planter ser ut som de ser ut: Mye overflateareal i form av blader og grener som støtter dem som virker unødvendige (om enn attraktive) hvis du ikke vet hvorfor disse organismer er strukturert denne måten. "Målet" med planten er å utsette så mye av seg selv for sollys som det kan - noe som gjør det korteste, minste planter i et hvilket som helst økosystem, mer som runene til et dyrekull ved at de begge sliter med å skaffe nok energi. Blader er ikke overraskende ekstremt tette i fotosyntetiske celler.

Disse cellene er rike på organismer som kalles kloroplaster, og det er der arbeidet med fotosyntese utføres, akkurat som mitokondrier er organellene der respirasjon forekommer. Faktisk er kloroplaster og mitokondrier strukturelt ganske like, et faktum som, som praktisk talt alt i biologiens verden, kan spores til evolusjonens under.) Kloroplaster inneholder spesialiserte pigmenter som absorberer lysenergi optimalt i stedet for å reflektere den. Det som reflekteres snarere enn absorberes skjer i en rekke bølgelengder som tolkes av menneskets øye og hjerne som en spesiell farge (hint: Det starter med "g"). Hovedpigmentet som brukes til dette formålet er kjent som klorofyll.

Kloroplaster er omgitt av en dobbel plasmamembran, slik det er tilfelle med alle levende celler så vel som organellene de inneholder. I planter eksisterer det imidlertid en tredje membran internt i plasmadobbelaget, kalt en tylakoidmembran. Denne membranen er brettet veldig omfattende slik at mislikende strukturer stablet oppå hverandre resulterer, ikke ulikt en pakke med pustemynter. Disse thylakoid strukturer inneholder klorofyll. Rommet mellom den indre kloroplastmembranen og thylakoidmembranen kalles stroma.

Fotosyntese er delt inn i et sett med lysavhengige og lysuavhengige reaksjoner, vanligvis kalt de lyse og mørke reaksjonene og beskrevet i detalj senere. Som du kanskje har konkludert, oppstår lysreaksjonene først.

Når lys fra solen rammer klorofyllen og andre pigmenter inne i tylakoidene, sprenger det i det vesentlige elektroner og protoner fra atomene i klorofyll og løfter dem til et høyere energinivå, noe som gjør dem friere til migrere. Elektronene blir avledet til elektrontransportkjedereaksjonene som utfolder seg på selve tylakoidmembranen. Her mottar elektronakseptorer som NADP noen av disse elektronene, som også brukes til å drive syntesen av ATP. ATP er i hovedsak til celler hva dollar er for det amerikanske finanssystemet: Det er "energivalutaen" som nesten alle metabolske prosesser til slutt utføres.

Mens dette skjer, har solbadende klorofyllmolekyler plutselig manglet elektroner. Det er her vann kommer inn i striden og bidrar til erstatningselektroner i form av hydrogen, og reduserer dermed klorofyllen. Når hydrogenet mangler, er det som en gang var vann, nå molekylært oksygen - O₂. Dette oksygenet diffunderer helt ut av cellen og ut av planten, og noe av det har klart å finne veien inn i dine egne lunger akkurat på dette sekundet.

Fotosyntese blir betegnet som endergonisk reaksjon fordi den krever energiinngang for å fortsette. Solen er den ultimate kilden til all energi på planeten (et faktum som kanskje forstås på et eller annet nivå av de forskjellige antikkens kulturer som betraktet solen som en guddom i seg selv) og planter er de første som fanger den opp for produktiv bruk. Uten denne energien ville det ikke være noen måte for karbondioksid, et lite, enkelt molekyl, å bli omdannet til glukose, et betydelig større og mer komplekst molekyl. Tenk deg at du går opp en trapp mens du på en eller annen måte ikke bruker energi, og du kan se problemet som planter står overfor.

I aritmetiske termer er endergoniske reaksjoner de der produktene har et høyere energinivå enn reaktantene har. Det motsatte av disse reaksjonene kalles energisk sett eksergonisk, der produktene har lavere energi enn reaksjonene, og energi frigjøres derved under reaksjonen. (Dette er ofte i form av varme - igjen, blir du varmere eller blir du kaldere med trening?) Dette uttrykkes i form av den frie energien ΔG ° av reaksjonen, som for fotosyntese er +479 kJ ⋅ mol^-1 eller 479 joule energi per mol. Det positive tegnet indikerer en endoterm reaksjon, mens et negativt tegn indikerer en eksoterm prosess.

I lysreaksjonene brytes vann fra sollys, mens i mørke reaksjoner protonene (H⁺) og elektroner (e⁻) frigjort i lysreaksjonene brukes til å samle glukose og andre karbohydrater fra CO₂.

Lysreaksjonene er gitt med formelen:

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

og de mørke reaksjonene er gitt av:

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

Samlet gir dette den fullstendige ligningen som er avslørt ovenfor:

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

Du kan se at begge reaksjonssettene er endergoniske, lysreaksjonene sterkere.

Energikobling i levende systemer betyr å bruke energi tilgjengelig fra en prosess for å drive andre prosesser som ellers ikke ville finne sted. Samfunnet selv fungerer på denne måten: Bedrifter må ofte låne store pengesummer foran for å komme seg ut av bakken, men til slutt blir noen av disse virksomhetene svært lønnsomme og kan gjøre midler tilgjengelig for annen oppstart selskaper.

Fotosyntese representerer et godt eksempel på energikobling, da energi fra sollys er koblet til reaksjoner i kloroplaster slik at reaksjonene kan utfolde seg. Anlegget belønner til slutt den globale karbonsyklusen ved å syntetisere glukose og andre karbonforbindelser som kan kobles til andre reaksjoner, umiddelbart eller i fremtiden. For eksempel produserer hveteplanter stivelse som brukes over hele verden som en hovedkilde for mat for mennesker og andre dyr. Men ikke all glukosen produsert av planter lagres; noe av det fortsetter til forskjellige deler av planteceller, hvor energien frigjort i glykolyse til slutt er koblet til reaksjoner i plantens mitokondrier som resulterer i dannelsen av ATP. Mens planter representerer bunnen av næringskjeden og blir sett på som passiv energi og oksygen givere, de har egne metabolske behov, de må vokse seg større og reprodusere akkurat som andre organismer.

Som en side, har studentene ofte problemer med å lære å balansere kjemiske reaksjoner hvis disse ikke er gitt i balansert form. Som et resultat kan studentene fristes til å endre verdiene til abonnementene i molekyler i reaksjonen for å oppnå et balansert resultat. Denne forvirringen kan stamme fra å vite at det er tillatt å endre tallene foran molekylene for å balansere reaksjonene. Å endre abonnementet på et hvilket som helst molekyl gjør det molekylet til et annet molekyl helt. For eksempel å endre O₂ til O₃ tilfører ikke bare 50 prosent mer oksygen når det gjelder masse; det endrer oksygengass til ozon, som ikke ville delta i reaksjonen som ble studert på en eksternt lignende måte.