Kakšna reakcija je fotosinteza?

Brez niza kemičnih reakcij, ki jih skupaj imenujemo fotosinteza, vas ne bi bilo in ne bi nihče drug, ki ga poznate. To se vam lahko zdi nenavadno, če slučajno veste, da je fotosinteza izključno za rastline in nekaj mikroorganizmov, in da niti ena celica v vašem telesu ali celica katere koli živali nima naprav za izvedbo tega elegantnega izbora reakcij. Kaj daje?

Preprosto povedano, rastlinsko in živalsko življenje sta skoraj popolnoma simbiozna, kar pomeni, da način, kako rastline izpolnjujejo svoje presnovne potrebe, izjemno koristi za živali in obratno. Najenostavneje rečeno, živali jemljejo plin kisik (O₂) za pridobivanje energije iz neplinastih virov ogljika in izločanje plina ogljikovega dioksida (CO₂) in vodo (H₂O) v procesu, medtem ko rastline uporabljajo CO₂ in H₂O za pripravo hrane in sprostitev O₂ na okolje. Poleg tega približno 87 odstotkov svetovne energije trenutno izhaja iz izgorevanja fosilnih goriv, ​​ki so v končni fazi tudi produkti fotosinteze.

Včasih se reče, da je "fotosinteza za rastline tisto, kar je dihanje za živali", vendar je to napačna analogija, ker rastline uporabljajo oboje, medtem ko živali uporabljajo samo dihanje. Fotosintezo predstavljajte kot način, kako rastline porabljajo in prebavljajo ogljik, pri čemer se zanašajo na svetlobo in ne na gibanje ter na način prehranjevanja, da ogljik dobijo obliko, ki jo lahko uporabijo majhni celični stroji.

Fotosinteza je kljub temu, da je pomemben del živih bitij ne uporablja neposredno razumno obravnavati kot en kemični postopek, ki je odgovoren za zagotavljanje stalnega obstoja življenja na Zemlja sama. Fotosintetske celice jemljejo CO₂ in H₂O, ki jih organizem zbira iz okolja in energijo sončne svetlobe uporablja za pogon sinteze glukoze (C₆H₁₂O₆), sprostitev O₂ kot odpadni produkt. To glukozo nato različne celice v rastlini predelajo na enak način kot glukozo uporabljajo živali celice: diha, da sprosti energijo v obliki adenozin trifosfata (ATP) in sprosti CO₂ kot odpadni produkt. (Fitoplankton in cianobakterije uporabljajo tudi fotosintezo, toda za namene te razprave so organizmi, ki vsebujejo fotosintetske celice, splošno označeni kot "rastline".)

Organizmom, ki s pomočjo fotosinteze ustvarjajo glukozo, pravimo avtotrofi, kar v grščini pomeni »samohrana«. To pomeni, da se rastline ne zanašajo neposredno na druge organizme za hrano. Živali pa so heterotrofi ("druga hrana"), ker morajo zaužiti ogljik iz drugih živih virov, da lahko rastejo in ostanejo živi.

Fotosinteza velja za redoks reakcijo. Redox je okrajšava za "redukcijsko-oksidacijska", ki opisuje dogajanje na atomski ravni v različnih biokemijskih reakcijah. Popolna, uravnotežena formula za serijo reakcij, imenovano fotosinteza, katere komponente bodo kmalu raziskane, je:

6H₂O + svetloba + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Sami lahko preverite, ali je število posameznih vrst atomov na vsaki strani puščice enako: šest atomov ogljika, 12 atomov vodika in 18 atomov kisika.

Redukcija je odstranjevanje elektronov iz atoma ali molekule, oksidacija pa pridobivanje elektronov. Ustrezno temu spojine, ki drugim elektronam zlahka oddajajo elektrone, imenujemo oksidanti, medtem ko tiste, ki navadno pridobivajo elektrone, imenujemo reduktorji. Redoks reakcije običajno vključujejo dodajanje vodika spojini, ki jo zmanjšujemo.

Prvi korak v fotosintezi lahko povzamemo kot "naj bo svetloba." Sončna svetloba prizadene površino rastlin in celoten postopek sproži. Morda že sumite, zakaj mnoge rastline izgledajo tako: z veliko površino v obliki listov in veje, ki jih podpirajo, ki se zdijo nepotrebne (čeprav privlačne), če ne veste, zakaj so ti organizmi strukturirani Na ta način. "Cilj" rastline je, da se čim bolj izpostavi sončni svetlobi - izdelava najkrajšega, najmanjšega rastline v katerem koli ekosistemu, podobno kot runts živalskega legla, ker se oba trudita, da bi ga pridobila dovolj energija. Ni presenetljivo, da so listi v fotosintetskih celicah izredno gosti.

Te celice so bogate z organizmi, imenovanimi kloroplasti, kjer se opravlja fotosinteza, tako kot so mitohondriji organele, v katerih pride do dihanja. Pravzaprav so si kloroplasti in mitohondriji strukturno precej podobni, kar lahko, tako kot skoraj vse v svetu biologije, lahko najdemo do čudes evolucije.) Kloroplasti vsebujejo posebne pigmente, ki optimalno absorbirajo svetlobno energijo in ne odbijajo to. To, kar se odraža in ne absorbira, je v območju valovnih dolžin, kar človeško oko in možgani razlagajo kot določeno barvo (namig: Začne se z "g"). Glavni pigment, ki se uporablja v ta namen, je znan kot klorofil.

Kloroplasti so obdani z dvojno plazemsko membrano, kot to velja za vse žive celice in organele, ki jih vsebujejo. Pri rastlinah pa obstaja tretja membrana znotraj plazemskega dvosloja, imenovana tilakoidna membrana. Ta membrana je zložena zelo široko, tako da nastanejo podobne strukture, zložene ena na drugo, za razliko od paketa kovnic. Te tilakoidne strukture vsebujejo klorofil. Prostor med notranjo kloroplastno membrano in tilakoidno membrano se imenuje stroma.

Fotosinteza je razdeljena na sklop svetlobno odvisnih in svetlobno neodvisnih reakcij, ki se običajno imenujejo svetlobne in temne reakcije in so podrobneje opisane kasneje. Kot ste lahko zaključili, se najprej pojavijo svetlobne reakcije.

Ko sončna svetloba zadene klorofil in druge pigmente znotraj tilakoidov, v bistvu razstreli elektronov in protonov iz atomov v klorofilu in jih dvigne na višjo raven energije, zaradi česar so migrirati. Elektroni se preusmerijo v verižne reakcije prenosa elektronov, ki se odvijajo na sami tilakoidni membrani. Tu sprejemajo elektrone, kot je NADP, nekaj teh elektronov, ki se uporabljajo tudi za sintezo ATP. ATP je v bistvu celicam tisto, kar ameriški dolarji pomenijo za ameriški finančni sistem: to je "energijska valuta", s katero se na koncu izvedejo skoraj vsi presnovni procesi.

Medtem ko se to dogaja, molekulam klorofila, ki se kopajo v soncu, nenadoma primanjkuje elektronov. Tu vstopi voda in prispeva nadomestne elektrone v obliki vodika, s čimer se zmanjša klorofil. Ker je manjkal vodik, je nekoč voda danes molekularni kisik - O₂. Ta kisik v celoti difundira iz celice in iz rastline, nekateri pa so se ravno v tej sekundi znašli v vaših pljučih.

Fotosintezo imenujemo endergonska reakcija, ker za nadaljevanje zahteva vnos energije. Sonce je glavni vir vse energije na planetu (dejstvo, ki ga na neki ravni morda razumejo različni kulture antike, ki so imele sonce samo po sebi božanstvo) in rastline so prve, ki so ga prestregle produktivna uporaba. Brez te energije ne bi bilo mogoče ogljikovega dioksida, majhne, ​​preproste molekule, pretvoriti v glukozo, bistveno večjo in bolj zapleteno molekulo. Predstavljajte si, kako se sprehajate po stopnicah, medtem ko nekako ne porabite energije in vidite težavo, s katero se soočajo rastline.

V aritmetičnem smislu so endergonične reakcije tiste, pri katerih imajo proizvodi višjo raven energije kot reaktanti. Nasprotno od teh reakcij, energijsko gledano, se imenujejo eksergonične, pri katerih imajo produkti nižjo energijo kot reakcije in se energija s tem sprosti med reakcijo. (To je pogosto v obliki toplote - ali spet postanete toplejši ali vas z vadbo ohladi?) To je izraženo v obliki proste energije ΔG ° reakcije, ki je za fotosintezo +479 kJ ⋅ mol^-1 ali 479 joulov energije na mol. Pozitivni znak označuje endotermno reakcijo, negativni znak pa eksotermni proces.

V svetlobnih reakcijah se voda razbije na soncu, v temnih pa protoni (H⁺) in elektroni (npr⁻), sproščene v svetlobnih reakcijah, se uporabljajo za sestavljanje glukoze in drugih ogljikovih hidratov iz CO₂.

Svetlobne reakcije so podane s formulo:

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

in temne reakcije dajejo:

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

Na splošno iz tega izhaja celotna enačba, razkrita zgoraj:

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

Vidite, da sta oba niza reakcij endergonična, svetlobne reakcije pa močnejše.

Energetsko povezovanje v živih sistemih pomeni uporabo energije, ki je na voljo iz enega procesa, za pogon drugih procesov, ki sicer ne bi potekali. Družba sama deluje nekako tako: podjetja si morajo pogosto vnaprej izposoditi velike vsote denarja, da bi se spustila iz podjetja vendar na koncu nekatera od teh podjetij postanejo zelo donosna in lahko dajo na voljo sredstva za druga zagonska podjetja podjetja.

Fotosinteza predstavlja dober primer povezovanja energije, saj je energija sončne svetlobe povezana z reakcijami v kloroplastih, tako da se reakcije lahko razvijejo. Rastlina sčasoma nagradi globalni ogljikov cikel s sintezo glukoze in drugih ogljikovih spojin, ki jih je mogoče takoj ali v prihodnosti povezati z drugimi reakcijami. Na primer, pšenične rastline proizvajajo škrob, ki se po vsem svetu uporablja kot glavni vir hrane za ljudi in druge živali. Ni pa shranjena vsa glukoza, ki jo proizvedejo rastline; nekaj se prenese v različne dele rastlinskih celic, kjer se energija, ki se sprosti v glikolizi, na koncu poveže z reakcijami v mitohondrijih rastlin, ki povzročijo nastanek ATP. Medtem ko rastline predstavljajo dno prehranjevalne verige in se nanje pogosto gleda kot na pasivno energijo in kisik darovalci imajo lastne presnovne potrebe, zato se morajo povečati in razmnoževati tako kot drugi organizmi.

Poleg tega imajo študentje pogosto težave z učenjem uravnoteženja kemičnih reakcij, če le-te niso zagotovljene v uravnoteženi obliki. Posledično lahko študentje v svojem manevriranju v skušnjavi spremenijo vrednosti indeksov v molekulah, da bi dosegli uravnotežen rezultat. Ta zmeda lahko izvira iz vedenja, da je dovoljeno spreminjati številke pred molekulami, da bi uravnotežili reakcije. Spreminjanje indeksa katere koli molekule spremeni to molekulo v drugačno molekulo. Na primer, spreminjanje O₂ do O₃ ne doda zgolj 50 odstotkov več kisika glede na maso; spremeni plin kisika v ozon, ki ne bi sodeloval v preučevani reakciji na približno podoben način.