Ce fel de reacție este fotosinteza?

Fără seria reacțiilor chimice cunoscută în mod colectiv sub numele de fotosinteză, nu ați fi aici și nici altcineva pe care nu îl cunoașteți. Acest lucru vă poate părea o afirmație ciudată dacă știți că fotosinteza este exclusivă plantelor și câtorva microorganisme, și că nici o celulă din corpul tău sau a vreunui animal nu are aparatul pentru a efectua acest elegant sortiment de reacții. Ce dă?

Pur și simplu, viața plantelor și viața animalelor sunt aproape perfect simbiotice, ceea ce înseamnă că felul în care plantele își îndeplinesc nevoile metabolice este de un beneficiu suprem pentru animale și invers. În termeni simpli, animalele iau oxigen gazos (O₂) să obțină energie din surse de carbon ne-gazoase și să elimine dioxid de carbon gazos (CO₂) și apă (H₂O) în proces, în timp ce plantele folosesc CO₂ si H₂O pentru a face mâncare și pentru a elibera O₂ la mediu. În plus, aproximativ 87% din energia lumii este în prezent derivată din arderea combustibililor fosili, care sunt în cele din urmă produse și ale fotosintezei.

Uneori se spune că „fotosinteza este pentru plante ceea ce este respirația pentru animale”, dar aceasta este o analogie defectuoasă, deoarece plantele folosesc ambele, în timp ce animalele folosesc doar respirația. Gândiți-vă la fotosinteză ca la felul în care plantele consumă și digeră carbonul, bazându-se pe lumină mai degrabă decât pe locomoție și pe actul de a mânca pentru a pune carbonul într-o formă pe care o pot folosi mici mașini celulare.

Fotosinteza, deși nu este utilizată direct de o fracțiune semnificativă a viețuitoarelor, poate fi considerat în mod rezonabil ca singurul proces chimic responsabil de asigurarea existenței continue a vieții pe Pământul însuși. Celulele fotosintetice iau CO₂ si H₂O colectată de organism din mediul înconjurător și folosește energia din lumina soarelui pentru a alimenta sinteza glucozei (C₆H₁₂O₆), eliberând O₂ ca produs rezidual. Această glucoză este apoi procesată de diferite celule din plantă în același mod în care glucoza este utilizată de animale celule: suferă respirație pentru a elibera energie sub formă de adenozin trifosfat (ATP) și eliberează CO₂ ca produs rezidual. (Fitoplanctonul și cianobacteriile folosesc, de asemenea, fotosinteza, dar în scopul acestei discuții, organismele care conțin celule fotosintetice sunt denumite generic „plante”).

Organismele care folosesc fotosinteza pentru a produce glucoza sunt numite autotrofe, ceea ce se traduce vag din greacă în „autoalimentare”. Adică plantele nu se bazează direct pe alte organisme pentru hrană. Animalele, pe de altă parte, sunt heterotrofe („alte alimente”) deoarece trebuie să ingere carbon din alte surse vii pentru a crește și a rămâne în viață.

Fotosinteza este considerată o reacție redox. Redox este prescurtarea de la „reducere-oxidare”, care descrie ce se întâmplă la nivel atomic în diversele reacții biochimice. Formula completă, echilibrată pentru seria de reacții numite fotosinteză - ale cărei componente vor fi explorate în scurt timp - este:

6H₂O + lumină + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Puteți verifica singur că numărul fiecărui tip de atom este același pe fiecare parte a săgeții: șase atomi de carbon, 12 atomi de hidrogen și 18 atomi de oxigen.

Reducerea este îndepărtarea electronilor dintr-un atom sau moleculă, în timp ce oxidarea este câștigarea electronilor. În mod corespunzător, compușii care cedează cu ușurință electroni altor compuși sunt numiți agenți oxidanți, în timp ce cei care tind să câștige electroni sunt numiți agenți reducători. Reacțiile redox implică de obicei reducerea adăugării de hidrogen la compus.

Primul pas în fotosinteză ar putea fi rezumat ca „să fie lumină”. Lumina soarelui lovește suprafața plantelor, punând în mișcare întregul proces. S-ar putea să bănuiți deja de ce multe plante arată așa cum arată: o mare suprafață sub formă de frunze și ramuri care le susțin care par inutile (deși atractive) dacă nu știți de ce sunt structurate aceste organisme Pe aici. „Scopul” plantei este de a se expune cât mai mult din ea însăși la lumina soarelui, ceea ce face cel mai scurt, cel mai mic plantele din orice ecosistem, mai degrabă ca runturile unui gunoi de animale, deoarece ambele se luptă pentru a obține suficient energie. Frunzele, nu este surprinzător, sunt extrem de dense în celulele fotosintetice.

Aceste celule sunt bogate în organisme numite cloroplaste, unde se face activitatea fotosintezei, la fel ca mitocondriile sunt organitele în care are loc respirația. De fapt, cloroplastele și mitocondriile sunt din punct de vedere structural destul de asemănătoare, fapt care, la fel ca practic orice din lumea biologiei, poate urmări la minunile evoluției.) Cloroplastele conțin pigmenți specializați care absorb mai bine energia luminii decât să reflecte aceasta. Ceea ce este reflectat mai degrabă decât absorbit se întâmplă să se afle într-o gamă de lungimi de undă care este interpretată de ochiul uman și creierul ca fiind o anumită culoare (indiciu: Începe cu „g”). Principalul pigment utilizat în acest scop este cunoscut sub numele de clorofilă.

Cloroplastele sunt înconjurate de o membrană plasmatică dublă, așa cum este cazul tuturor celulelor vii, precum și a organelor pe care le conțin. Cu toate acestea, la plante există o a treia membrană internă a stratului bicomponent plasmatic, numită membrană tilacoidă. Această membrană este pliată foarte extensiv, astfel încât rezultă structuri asemănătoare discurilor stivuite unul deasupra celuilalt, spre deosebire de un pachet de mentă de respirație. Aceste structuri tilacoide conțin clorofilă. Spațiul dintre membrana interioară a cloroplastului și membrana tilacoidă se numește stromă.

Fotosinteza este împărțită într-un set de reacții dependente de lumină și independente de lumină, denumite de obicei reacții luminoase și întunecate și descrise în detaliu mai târziu. După cum probabil ați concluzionat, reacțiile la lumină apar mai întâi.

Când lumina de la soare lovește clorofila și alți pigmenți din interiorul tilacoidelor, aceasta devine esențial electroni și protoni din atomii din clorofilă și îi ridică la un nivel mai ridicat de energie, făcându-i mai liberi la migra. Electronii sunt deviați în reacțiile în lanț de transport ale electronilor care se desfășoară pe membrana tilacoidă în sine. Aici, acceptorii de electroni precum NADP primesc unii dintre acești electroni, care sunt, de asemenea, folosiți pentru a conduce sinteza ATP. ATP este în esență celulelor ceea ce reprezintă dolari pentru sistemul financiar din SUA: este „moneda energetică” cu ajutorul căreia se efectuează practic toate procesele metabolice.

În timp ce se întâmplă acest lucru, moleculele de clorofilă care fac plajă la soare s-au trezit brusc lipsite de electroni. Aici intră apa în zăpadă și contribuie la înlocuirea electronilor sub formă de hidrogen, reducând astfel clorofila. Lipsind hidrogenul, ceea ce a fost odată apă este acum oxigen molecular - O₂. Acest oxigen se difuzează complet din celulă și din plantă, iar o parte din ea a reușit să-și găsească drumul în plămânii voștri tocmai în această secundă.

Fotosinteza este denumită o reacție endergonică, deoarece necesită un aport de energie pentru a continua. Soarele este sursa supremă a întregii energii de pe planetă (fapt probabil înțeles la un anumit nivel de diferiți culturile antichității care considerau soarele o zeitate în sine) și plantele sunt primele care îl interceptează utilizare productivă. Fără această energie, nu ar exista nicio cale pentru ca dioxidul de carbon, o moleculă mică și simplă, să fie transformată în glucoză, o moleculă considerabil mai mare și mai complexă. Imaginați-vă că urcați o scară în timp ce cumva nu cheltuiți energie și puteți vedea problema cu care se confruntă plantele.

În termeni aritmetici, reacțiile endergonice sunt cele în care produsele au un nivel de energie mai mare decât au reactanții. Opusul acestor reacții, din punct de vedere energetic, se numește exergonic, în care produsele au o energie mai mică decât reacțiile, iar energia este eliberată în timpul reacției. (Acest lucru este adesea sub formă de căldură - din nou, devii mai cald sau devii mai rece cu exercițiile fizice?) Aceasta se exprimă în termeni de energie liberă ΔG ° a reacției, care pentru fotosinteză este +479 kJ ⋅ mol^-1 sau 479 jouli de energie per mol. Semnul pozitiv indică o reacție endotermică, în timp ce un semn negativ indică un proces exoterm.

În reacțiile luminoase, apa este ruptă de lumina soarelui, în timp ce în reacțiile întunecate, protonii (H⁺) și electroni (e⁻) eliberate în lumină reacțiile sunt utilizate pentru asamblarea glucozei și a altor carbohidrați din CO₂.

Reacțiile la lumină sunt date de formula:

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

iar reacțiile întunecate sunt date de:

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

În general, aceasta dă ecuația completă dezvăluită mai sus:

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

Puteți vedea că ambele seturi de reacții sunt endergonice, reacțiile luminoase mai puternic.

Cuplarea energiei în sistemele vii înseamnă utilizarea energiei puse la dispoziție dintr-un proces pentru a conduce alte procese care altfel nu ar avea loc. Societatea în sine funcționează astfel: Întreprinderile trebuie adesea să împrumute sume mari de bani în avans pentru a ieși din teren, dar în cele din urmă unele dintre aceste afaceri devin extrem de profitabile și pot pune la dispoziție fonduri pentru alte start-up-uri companii.

Fotosinteza reprezintă un bun exemplu de cuplare a energiei, întrucât energia din lumina soarelui este cuplată la reacțiile din cloroplaste, astfel încât reacțiile să se poată desfășura. Planta recompensează în cele din urmă ciclul global al carbonului prin sintetizarea glucozei și a altor compuși de carbon care pot fi cuplați cu alte reacții, imediat sau în viitor. De exemplu, plantele de grâu produc amidon, utilizate în întreaga lume ca sursă principală de alimente pentru oameni și alte animale. Dar nu toată glucoza produsă de plante este stocată; o parte din aceasta se îndreaptă către diferite părți ale celulelor vegetale, unde energia eliberată în glicoliză este în cele din urmă cuplată cu reacțiile din mitocondriile plantei care duc la formarea ATP. În timp ce plantele reprezintă fundul lanțului alimentar și sunt privite pe scară largă ca energie pasivă și oxigen donatorii, au propriile nevoi metabolice, fiind nevoiți să crească și să se reproducă la fel ca alții organisme.

Deoparte, elevii au deseori probleme de învățare să echilibreze reacțiile chimice dacă acestea nu sunt furnizate în formă echilibrată. Ca rezultat, în jocurile lor, elevii pot fi tentați să schimbe valorile indicilor în molecule în reacție pentru a obține un rezultat echilibrat. Această confuzie poate proveni din cunoașterea faptului că este permisă modificarea numerelor din fața moleculelor pentru a echilibra reacțiile. Schimbarea indicelui oricărei molecule transformă acea moleculă într-o moleculă diferită. De exemplu, schimbarea O₂ de asemenea₃ nu adaugă doar 50% mai mult oxigen în termeni de masă; transformă oxigenul gazos în ozon, care nu ar participa la reacția studiată într-un mod similar de la distanță.