Bez série chemických reakcií, ktoré sa súhrnne nazývajú fotosyntéza, by ste tu neboli a nikto iný, koho by ste poznali. To vám môže pripadať ako čudné tvrdenie, ak viete, že fotosyntéza je výlučná pre rastliny a niekoľko mikroorganizmov, a že ani jedna bunka vo vašom tele ani v tele žiadneho zvieraťa nemá prístroj na vykonávanie tohto elegantného výberu reakcií. Čo dáva?
Zjednodušene povedané, život rastlín a zvieratá sú takmer dokonale symbiotické, čo znamená, že spôsob, akým rastliny plnia svoje metabolické potreby, je pre zvieratá najvyšším prínosom a naopak. Najjednoduchšie povedané, zvieratá prijímajú plynný kyslík (O2) na získavanie energie z iných ako plynných zdrojov uhlíka a na vylučovanie plynného oxidu uhličitého (CO2) a vodu (H2O) v procese, zatiaľ čo rastliny používajú CO2 a H2O pripraviť jedlo a uvoľniť O2 do životného prostredia. Okrem toho asi 87 percent svetovej energie v súčasnosti pochádza zo spaľovania fosílnych palív, ktoré sú nakoniec tiež produktom fotosyntézy.
Niekedy sa hovorí, že „fotosyntéza znamená pre rastliny to, čo dýchanie pre zvieratá“, ale toto je chybná analógia, pretože rastliny využívajú oboje, zatiaľ čo zvieratá používajú iba dýchanie. Myslite na fotosyntézu ako na spôsob, akým rastliny spotrebúvajú a trávia uhlík. Spoliehajte sa skôr na svetlo ako na lokomóciu a jedenie, pri ktorom sa uhlík dostane do formy, ktorú môžu využiť malé bunkové stroje.
Stručný prehľad fotosyntézy
Fotosyntéza, aj keď ju priamo nepoužíva významná časť živých vecí, môže byť možno primerane považovať za jeden chemický proces zodpovedný za zabezpečenie nepretržitej existencie života ďalej Samotná Zem. Fotosyntetické bunky prijímajú CO2 a H2O zhromaždený organizmom z prostredia a využívajúci energiu zo slnečného žiarenia na napájanie syntézy glukózy (C6H12O6), uvoľňujúc O2 ako odpadový produkt. Táto glukóza je potom spracovaná rôznymi bunkami v rastline rovnakým spôsobom, ako je glukóza používaná zvieraťom bunky: Podlieha dýchaniu, aby uvoľnil energiu vo forme adenozíntrifosfátu (ATP) a uvoľnil sa CO2 ako odpadový produkt. (Fytoplanktón a sinice tiež využívajú fotosyntézu, ale na účely tejto diskusie sa organizmy obsahujúce fotosyntetické bunky všeobecne označujú ako „rastliny“.)
Organizmy, ktoré na výrobu glukózy používajú fotosyntézu, sa nazývajú autotrofy, čo sa voľne prekladá z gréčtiny do „vlastného jedla“. To znamená, že rastliny sa pri jedle nespoliehajú priamo na iné organizmy. Zvieratá sú na druhej strane heterotrofné („iná potrava“), pretože musia prijímať uhlík z iných živých zdrojov, aby mohli rásť a zostať nažive.
Aký typ reakcie je fotosyntéza?
Fotosyntéza sa považuje za redoxnú reakciu. Redox je skratka pre „redukčno-oxidácia“, ktorá popisuje, čo sa deje na atómovej úrovni v rôznych biochemických reakciách. Kompletný vyvážený vzorec pre sériu reakcií nazývaných fotosyntéza, ktorej zložky budú čoskoro preskúmané, je:
6H2O + svetlo + 6CO2 → C.6H12O6 + 6O2
Sami si môžete overiť, že počet jednotlivých typov atómov je na oboch stranách šípky rovnaký: Šesť atómov uhlíka, 12 atómov vodíka a 18 atómov kyslíka.
Redukcia je odstránenie elektrónov z atómu alebo molekuly, zatiaľ čo oxidácia je získanie elektrónov. Zodpovedajúcim spôsobom sa zlúčeniny, ktoré ľahko poskytujú elektróny iným zlúčeninám, nazývajú oxidačné činidlá, zatiaľ čo zlúčeniny, ktoré majú tendenciu získavať elektróny, sa nazývajú redukčné činidlá. Redoxné reakcie zvyčajne zahŕňajú prídavok vodíka k redukovanej zlúčenine.
Štruktúry fotosyntézy
Prvý krok fotosyntézy možno zhrnúť ako „nech je svetlo“. Slnečné svetlo dopadá na povrch rastlín a uvádza celý proces do pohybu. Možno už tušíte, prečo veľa rastlín vyzerá tak, ako vyzerajú: Veľká plocha povrchu vo forme listov a vetvy, ktoré ich podporujú, ktoré sa javia ako zbytočné (aj keď atraktívne), ak neviete, prečo sú tieto organizmy štruktúrované tadiaľto. „Cieľom“ rastliny je čo najviac zo seba vystaviť slnečnému žiareniu - čo je najkratšie a najmenšie Rastliny v akomkoľvek ekosystéme sa skôr podobajú chovu zvieracích podstielok, pretože sa snažia získať dostatok energie. Nie je prekvapením, že listy sú vo fotosyntetických bunkách mimoriadne husté.
Tieto bunky sú bohaté na organizmy, ktoré sa nazývajú chloroplasty, a práve tu sa pracuje s fotosyntézou, rovnako ako mitochondrie sú organely, v ktorých dochádza k dýchaniu. V skutočnosti sú chloroplasty a mitochondrie štrukturálne dosť podobné, čo je skutočnosť, ktorá ako prakticky všetko vo svete biológie dokáže Chloroplasty obsahujú špecializované pigmenty, ktoré optimálne absorbujú svetelnú energiu a nie odrážajú to. To, čo sa skôr odráža ako absorbuje, sa stane v rozsahu vlnových dĺžok, ktoré sú ľudským okom a mozgom interpretované ako určitá farba (nápověda: Začína sa to na „g“). Hlavný pigment používaný na tento účel je známy ako chlorofyl.
Chloroplasty sú obklopené dvojitou plazmatickou membránou, ako je to v prípade všetkých živých buniek, ako aj organel, ktoré obsahujú. V rastlinách však vnútri plazmovej dvojvrstvy existuje tretia membrána, ktorá sa nazýva tylakoidná membrána. Táto membrána je zložená veľmi extenzívne, takže výsledkom sú disclike štruktúry naskladané na seba, na rozdiel od balíčka dychových mincovní. Tieto tylakoidné štruktúry obsahujú chlorofyl. Priestor medzi vnútornou chloroplastovou membránou a tylakoidnou membránou sa nazýva stróma.
Mechanizmus fotosyntézy
Fotosyntéza je rozdelená do súboru reakcií závislých od svetla a od svetla, ktoré sa zvyčajne nazývajú reakcie svetla a tmy a sú podrobne opísané neskôr. Ako ste možno usúdili, najskôr dôjde k svetelným reakciám.
Keď svetlo slnka dopadne na chlorofyl a ďalšie pigmenty vo vnútri tylakoidov, v podstate sa uvoľní elektróny a protóny z atómov v chlorofyle a zvyšuje ich na vyššiu energetickú hladinu, vďaka čomu sú voľnejšie migrovať. Elektróny sú odklonené do reťazových reakcií transportu elektrónov, ktoré sa rozvíjajú na samotnej tylakoidnej membráne. Tu prijímajú elektrónové akceptory ako NADP niektoré z týchto elektrónov, ktoré sa tiež používajú na riadenie syntézy ATP. ATP je v podstate pre bunky to, čo sú doláre pre finančný systém USA: Je to „energetická mena“, pomocou ktorej sa nakoniec uskutočňujú prakticky všetky metabolické procesy.
Aj keď sa to deje, molekuly chlorofylu, ktoré sa kúpajú na slnku, zrazu postrádajú elektróny. To je miesto, kde voda vstupuje do šarvátky a prispieva náhradnými elektrónmi vo forme vodíka, čím redukuje chlorofyl. Keď zmizol jeho vodík, to, čo bolo kedysi vodou, je teraz molekulárny kyslík - O2. Tento kyslík úplne difunduje z bunky a z rastliny a niektorým z nich sa podarilo nájsť si cestu do vlastných pľúc presne v tejto chvíli.
Je fotosyntéza endergická?
Fotosyntéza sa nazýva endergonická reakcia, pretože vyžaduje vstup energie, aby mohla pokračovať. Slnko je hlavným zdrojom všetkej energie na planéte (čo je fakt, ktorý možno na určitej úrovni chápu rôzne) kultúry staroveku, ktoré považovali slnko za svoje božstvo) a rastliny, ktoré ho ako prvé zachytili produktívne využitie. Bez tejto energie by neexistoval spôsob, ako by sa oxid uhličitý, malá, jednoduchá molekula, mohol previesť na glukózu, podstatne väčšiu a zložitejšiu molekulu. Predstavte si, že idete po schodoch, pričom nejako nevynakladáte žiadnu energiu, a môžete vidieť problém, ktorému čelia rastliny.
Z aritmetického hľadiska sú endergonické reakcie také, pri ktorých majú produkty vyššiu energetickú hladinu ako reaktanty. Opak týchto reakcií, energeticky povedané, sa nazýva exergonický, pri ktorom majú produkty nižšiu energiu ako reakcie a energia sa tak uvoľňuje počas reakcie. (Toto je často vo forme tepla - opäť sa vám oteplí alebo vám pri cvičení ochladne?) Toto je vyjadrené ako voľná energia ΔG ° reakcie, ktorá je pre fotosyntézu +479 kJ ⋅ mol-1 alebo 479 joulov energie na mol. Pozitívne znamienko označuje endotermickú reakciu, zatiaľ čo záporné znamienko označuje exotermický proces.
Svetlé a tmavé reakcie fotosyntézy
Pri svetelných reakciách sa voda rozpadá slnečným žiarením, zatiaľ čo pri tmavých reakciách sa protóny (H+) a elektróny (napr−) uvoľnené pri svetelných reakciách sa používajú na zostavenie glukózy a iných sacharidov z CO2.
Svetelné reakcie sú dané vzorcom:
2H2O + svetlo → O2 + 4H+ + 4e−(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol−1)
a temné reakcie sú dané:
CO2 + 4H+ + 4e− → CH2O + H2O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol−1)
Celkovo sa získa úplná rovnica uvedená vyššie:
H2O + svetlo + CO2 → CH2O + O2(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol−1)
Vidíte, že obe sady reakcií sú endergonické, zatiaľ čo reakcie svetla silnejšie.
Čo je energetická väzba?
Energetická väzba v živých systémoch znamená použitie energie dostupnej z jedného procesu na pohon ďalších procesov, ktoré by sa inak neuskutočnili. Samotná spoločnosť funguje týmto spôsobom: Podniky si často musia vopred požičať veľké sumy peňazí, aby mohli vystúpiť základom, ale nakoniec budú niektoré z týchto podnikov vysoko ziskové a môžu dať k dispozícii prostriedky na ďalšie začatie činnosti spoločnosti.
Fotosyntéza predstavuje dobrý príklad energetickej väzby, pretože energia zo slnečného žiarenia sa spája s reakciami v chloroplastoch, aby sa reakcie mohli rozvinúť. Závod nakoniec odmeňuje globálny uhlíkový cyklus syntézou glukózy a ďalších zlúčenín uhlíka, ktoré môžu byť okamžite alebo v budúcnosti spojené s inými reakciami. Napríklad rastliny pšenice produkujú škrob, ktorý sa po celom svete používa ako hlavný zdroj potravy pre ľudí a ďalšie zvieratá. Ale nie všetka glukóza vyrobená rastlinami je uložená; časť z nich postupuje do rôznych častí rastlinných buniek, kde sa energia uvoľnená pri glykolýze nakoniec spája s reakciami v mitochondriách rastlín, ktoré vedú k tvorbe ATP. Zatiaľ čo rastliny predstavujú dno potravinového reťazca a sú všeobecne považované za pasívnu energiu a kyslík darcovia, majú vlastné metabolické potreby, musia sa zväčšovať a rozmnožovať rovnako ako ostatní organizmov.
Prečo nemožno zmeniť predplatné?
Mimochodom, študenti majú často problém naučiť sa vyvážiť chemické reakcie, ak nie sú poskytované vo vyváženej forme. Výsledkom je, že študenti môžu byť pri experimentovaní v pokušení zmeniť hodnoty indexov v molekulách v reakcii, aby dosiahli vyvážený výsledok. Tento zmätok môže prameniť z vedomia, že je dovolené meniť počty pred molekulami, aby sa vyvážili reakcie. Zmenou dolného indexu ktorejkoľvek molekuly sa táto molekula zmení na inú molekulu. Napríklad zmena O2 tiež3 nepridáva iba o 50 percent viac kyslíka, čo sa týka hmotnosti; mení plynný kyslík na ozón, ktorý by sa na študovanej reakcii nezúčastňoval vzdialene podobným spôsobom.