Какая реакция есть фотосинтез?

Без серии химических реакций, известных под общим названием фотосинтез, вас бы здесь не было, как и никого из тех, кого вы знаете. Это может показаться вам странным утверждением, если вы случайно узнаете, что фотосинтез присущ только растениям и некоторым микроорганизмам, и что ни одна клетка вашего тела или какого-либо животного не имеет аппарата для выполнения этого изящного набора реакций. Что дает?

Проще говоря, растительная и животная жизнь почти идеально симбиотичны, а это означает, что способ, которым растения удовлетворяют свои метаболические потребности, приносит огромную пользу животным, и наоборот. Проще говоря, животные потребляют газообразный кислород (O₂) для получения энергии из негазообразных источников углерода и выделения газообразного диоксида углерода (CO₂) и вода (H₂O) в процессе, в то время как растения используют CO₂ и H₂O приготовить еду и отпустить O₂ в окружающую среду. Кроме того, около 87 процентов мировой энергии в настоящее время вырабатывается за счет сжигания ископаемого топлива, которое в конечном итоге также является продуктом фотосинтеза.

Иногда говорят, что «фотосинтез для растений - это то же самое, что дыхание для животных», но это ошибочная аналогия, потому что растения используют и то, и другое, в то время как животные используют только дыхание. Думайте о фотосинтезе как о способе, которым растения потребляют и переваривают углерод, полагаясь на свет, а не на передвижение и акт еды, чтобы преобразовать углерод в форму, которую могут использовать крошечные клеточные машины.

Фотосинтез, несмотря на то, что он не используется напрямую значительной частью живых существ, может быть разумно рассматривать как единственный химический процесс, ответственный за обеспечение постоянного существования жизни на Сама Земля. Фотосинтетические клетки принимают CO₂ и H₂O собирается организмом из окружающей среды и использует энергию солнечного света для синтеза глюкозы (C₆ЧАС₁₂О₆), отпуская O₂ как отходы. Затем эта глюкоза обрабатывается разными клетками растения так же, как глюкоза используется животными. клетки: он подвергается дыханию, высвобождая энергию в виде аденозинтрифосфата (АТФ) и высвобождая CO₂ как отходы. (Фитопланктон и цианобактерии также используют фотосинтез, но для целей этого обсуждения организмы, содержащие фотосинтетические клетки, обычно называются «растениями».)

Организмы, которые используют фотосинтез для производства глюкозы, называются автотрофами, что в переводе с греческого означает «самостоятельное питание». То есть растения не зависят напрямую от других организмов в качестве пищи. С другой стороны, животные являются гетеротрофами («другая пища»), потому что они должны поглощать углерод из других живых источников, чтобы расти и оставаться в живых.

Фотосинтез считается окислительно-восстановительной реакцией. Редокс - это сокращение от «восстановление-окисление», которое описывает то, что происходит на атомном уровне в различных биохимических реакциях. Полная сбалансированная формула серии реакций, называемых фотосинтезом, компоненты которой будут рассмотрены в ближайшее время:

6H₂O + свет + 6CO₂ → С₆ЧАС₁₂О₆ + 6O₂

Вы можете сами убедиться, что номера каждого типа атомов одинаковы с каждой стороны стрелки: шесть атомов углерода, 12 атомов водорода и 18 атомов кислорода.

Восстановление - это удаление электронов из атома или молекулы, а окисление - это получение электронов. Соответственно, соединения, которые легко отдают электроны другим соединениям, называются окислителями, а соединения, которые имеют тенденцию получать электроны, называются восстановителями. Окислительно-восстановительные реакции обычно включают добавление водорода к восстанавливаемому соединению.

Первый шаг в фотосинтезе можно охарактеризовать как «да будет свет». Солнечный свет падает на поверхность растений, приводя в движение весь процесс. Вы, возможно, уже подозреваете, почему многие растения выглядят именно так: большая площадь поверхности в виде листьев и ветви, поддерживающие их, которые кажутся ненужными (хотя и привлекательными), если вы не знаете, почему эти организмы структурированы Сюда. «Цель» растения - выставить как можно большую часть себя солнечному свету - сделать самые короткие, самые маленькие. растения в любой экосистеме скорее похожи на коротышки из подстилки животных в том смысле, что они оба изо всех сил пытаются получить достаточно энергия. Неудивительно, что в листьях очень много фотосинтезирующих клеток.

Эти клетки богаты организмами, называемыми хлоропластами, в которых происходит работа фотосинтеза, точно так же, как митохондрии являются органеллами, в которых происходит дыхание. Фактически, хлоропласты и митохондрии структурно очень похожи, что, как и практически все в мире биологии, может можно проследить до чудес эволюции.) Хлоропласты содержат специальные пигменты, которые оптимально поглощают световую энергию, а не отражают ее. Это. То, что отражается, а не поглощается, оказывается в диапазоне длин волн, который интерпретируется человеческим глазом и мозгом как определенный цвет (подсказка: начинается с буквы «g»). Основной пигмент, используемый для этой цели, известен как хлорофилл.

Хлоропласты окружены двойной плазматической мембраной, как и все живые клетки, а также содержащиеся в них органеллы. У растений, однако, существует третья мембрана внутри двойного слоя плазмы, называемая тилакоидной мембраной. Эта мембрана сложена очень широко, так что в результате складываются друг на друга дискообразные структуры, напоминающие упаковку леденцов для дыхания. Эти тилакоидные структуры содержат хлорофилл. Пространство между внутренней мембраной хлоропласта и тилакоидной мембраной называется стромой.

Фотосинтез делится на набор светозависимых и светонезависимых реакций, обычно называемых световой и темной реакциями и подробно описываемых позже. Как вы уже, наверное, догадались, сначала происходят световые реакции.

Когда солнечный свет попадает на хлорофилл и другие пигменты внутри тилакоидов, он, по сути, разрывается. электронов и протонов из атомов в хлорофилле и поднимает их на более высокий энергетический уровень, делая их более свободными для мигрировать. Электроны направляются в цепные реакции переноса электронов, которые разворачиваются на самой тилакоидной мембране. Здесь акцепторы электронов, такие как НАДФ, получают некоторые из этих электронов, которые также используются для управления синтезом АТФ. По сути, АТФ для клеток то же самое, что доллары для финансовой системы США: это «энергетическая валюта», с помощью которой в конечном итоге осуществляются практически все метаболические процессы.

В то время как это происходит, молекулы хлорофилла, принимающие солнечные ванны, внезапно обнаружили, что у них не хватает электронов. Здесь вода вступает в бой и вносит замещающие электроны в виде водорода, тем самым уменьшая количество хлорофилла. Поскольку водород пропал, то, что когда-то было водой, теперь стало молекулярным кислородом - O₂. Этот кислород диффундирует из клетки и полностью выходит из растения, и некоторая его часть сумела попасть в ваши легкие именно в эту секунду.

Фотосинтез называют эндергонической реакцией, потому что для его протекания требуется подвод энергии. Солнце является высшим источником всей энергии на планете (факт, возможно, на каком-то уровне понимается различными культуры древности, которые считали солнце божеством само по себе) и растения первыми перехватили его для продуктивное использование. Без этой энергии углекислый газ, небольшая простая молекула, не смог бы превратиться в глюкозу, значительно более крупную и сложную молекулу. Представьте, что вы поднимаетесь по лестнице, не расходуя при этом никакой энергии, и вы можете увидеть проблему, с которой сталкиваются растения.

Говоря арифметическим языком, эндергонические реакции - это реакции, в которых продукты имеют более высокий уровень энергии, чем реагенты. Противоположные этим реакциям, с энергетической точки зрения, называются экзергоническими, в которых продукты имеют более низкую энергию, чем реакции, и, таким образом, энергия высвобождается во время реакции. (Это часто бывает в виде тепла - опять же, становитесь ли вы теплее или холоднее при физических упражнениях?) Это выражается в величине свободной энергии реакции ΔG °, которая для фотосинтеза составляет +479 кДж ⋅ моль^-1 или 479 джоулей энергии на моль. Положительный знак указывает на эндотермическую реакцию, а отрицательный знак указывает на экзотермический процесс.

В светлых реакциях вода расщепляется солнечным светом, в то время как в темных реакциях протоны (H⁺) и электронов (e⁻), высвобожденные в легких реакциях, используются для сборки глюкозы и других углеводов из CO.₂.

Световые реакции даются формулой:

2H₂O + свет → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻(ΔG ° = +317 кДж ⋅ моль⁻¹)

а темные реакции выражаются:

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

В целом, это дает полное уравнение, показанное выше:

ЧАС₂O + свет + CO₂ → CH₂О + О₂(ΔG ° = +479 кДж ⋅ моль⁻¹)

Вы можете видеть, что оба набора реакций являются эндергоническими, а световые - более сильными.

Энергетическая связь в живых системах означает использование энергии, получаемой от одного процесса, для управления другими процессами, которые иначе не имели бы места. Само общество устроено таким образом: предприятиям часто приходится брать в долг большие суммы денег вперед, чтобы избежать проблем. земли, но в конечном итоге некоторые из этих предприятий становятся высокорентабельными и могут предоставлять средства для других стартапов. компании.

Фотосинтез представляет собой хороший пример взаимодействия энергии, поскольку энергия солнечного света связана с реакциями в хлоропластах, так что реакции могут разворачиваться. В конечном итоге растение вознаграждает глобальный углеродный цикл путем синтеза глюкозы и других углеродных соединений, которые могут быть связаны с другими реакциями немедленно или в будущем. Например, растения пшеницы производят крахмал, который используется во всем мире в качестве основного источника пищи для людей и других животных. Но не вся глюкоза, производимая растениями, сохраняется; некоторые из них попадают в различные части растительных клеток, где энергия, высвобождаемая при гликолизе, в конечном итоге связана с реакциями в митохондриях растений, которые приводят к образованию АТФ. В то время как растения представляют собой нижнюю часть пищевой цепочки и широко рассматриваются как пассивные источники энергии и кислорода. доноры, у них есть собственные метаболические потребности, они должны расти и размножаться, как и другие организмы.

Кроме того, студенты часто не могут научиться балансировать химические реакции, если они не представлены в сбалансированной форме. В результате, экспериментируя, у студентов может возникнуть соблазн изменить значения индексов в молекулах в реакции, чтобы достичь сбалансированного результата. Эта путаница может быть вызвана знанием того, что можно изменять числа перед молекулами, чтобы сбалансировать реакции. Изменение индекса любой молекулы полностью превращает эту молекулу в другую молекулу. Например, изменение O₂ тоже₃ не просто добавляет на 50 процентов больше кислорода по массе; он превращает газообразный кислород в озон, который не участвует в исследуемой реакции даже отдаленно подобным образом.