Каква је реакција фотосинтеза?

Без низа хемијских реакција, заједнички познатих као фотосинтеза, не бисте били овде, као ни било ко други кога знате. Ово би вам се могло учинити необичном тврдњом ако случајно знате да је фотосинтеза искључива за биљке и неколико микроорганизама, и да нити једна ћелија у вашем телу нити било која животиња нема уређај за спровођење овог елегантног низа реакција. Оно што даје?

Једноставно речено, биљни и животињски живот су готово савршено симбиотски, што значи да је начин на који биљке испуњавају своје метаболичке потребе од највеће користи за животиње и обрнуто. Најједноставније речено, животиње узимају гас кисеоника (О₂) за добијање енергије из гасовитих извора угљеника и излучивање гаса угљен-диоксида (ЦО₂) и воде (Х.₂О) у процесу, док биљке користе ЦО₂ и Х.₂О правити храну и пуштати О.₂ на животну средину. Поред тога, око 87 процената светске енергије тренутно потиче од сагоревања фосилних горива, која су на крају и производи фотосинтезе.

Понекад се каже да је „фотосинтеза биљкама оно што је дисање животињама“, али ово је погрешна аналогија јер биљке користе и једно и друго, док животиње користе само дисање. Замишљајте фотосинтезу као начин на који биљке троше и пробављају угљеник, ослањајући се на светлост, а не на кретање и чин једења како би угљеник ставио у облик који малене ћелијске машине могу користити.

Фотосинтеза, упркос томе што је значајан део живих бића не користи директно, може бити разумно посматрано као један хемијски процес одговоран за обезбеђивање постојања живота на Земља сама. Фотосинтетске ћелије узимају ЦО₂ и Х.₂О које организам сакупља из околине и користи енергију сунчеве светлости за покретање синтезе глукозе (Ц₆Х.₁₂О.₆), пуштајући О.₂ као отпадни производ. Ову глукозу затим обрађују различите ћелије у биљци на исти начин на који животиња користи глукозу ћелије: Подвргава се дисању да би ослободио енергију у облику аденозин трифосфата (АТП) и ослобађа ЦО₂ као отпадни производ. (Фитопланктон и цијанобактерије такође користе фотосинтезу, али у сврхе ове расправе, организми који садрже фотосинтетске ћелије се генерално називају „биљкама“.)

Организми који користе фотосинтезу за стварање глукозе називају се аутотрофи, што са грчког у преводу значи „самохрана“. Односно, биљке се не ослањају директно на друге организме за храну. Животиње су, с друге стране, хетеротрофи („друга храна“) јер морају да уносе угљеник из других живих извора да би могле да расту и остану живе.

Фотосинтеза се сматра редокс реакцијом. Редок је скраћеница од „редукција-оксидација“, која описује шта се дешава на атомском нивоу у различитим биохемијским реакцијама. Комплетна, уравнотежена формула за серију реакција која се назива фотосинтеза - чије ће компоненте ускоро бити истражене - је:

6Х₂О + светло + 6ЦО₂ → Ц.₆Х.₁₂О.₆ + 6О₂

Можете сами да проверите да ли је број сваке врсте атома једнак на свакој страни стрелице: шест атома угљеника, 12 атома водоника и 18 атома кисеоника.

Редукција је уклањање електрона из атома или молекула, док је оксидација добијање електрона. Сходно томе, једињења која лако дају електроне другим једињењима називају се оксидационим средствима, док она која теже да добијају електроне називају се редукционим средствима. Редокс реакције обично укључују додавање водоника једињењу које се редукује.

Први корак у фотосинтези могао би се сажети као „нека буде светлост“. Сунчева светлост погађа површину биљака, покрећући читав процес. Можда већ сумњате зашто многе биљке изгледају онако како изгледају: велика површина у облику лишћа и гране које их подржавају чини се непотребним (мада атрактивним) ако не знате зашто су ови организми структурирани овуда. „Циљ“ биљке је да изложи што више себе сунчевој светлости - правећи најкраће, најмање биљке у било ком екосистему, више попут рунтова животињског легла, јер се обоје труде да добију довољно енергије. Листови, што није изненађујуће, изузетно су густи у фотосинтетским ћелијама.

Ове ћелије су богате организмима званим хлоропласти, где се обавља посао фотосинтезе, баш као што су митохондрије органеле у којима долази до дисања. У ствари, хлоропласти и митохондрији су структурно прилично слични, чињеница која, као и практично све у свету биологије, може могу се пратити до чудеса еволуције.) Хлоропласти садрже специјализоване пигменте који оптимално апсорбују светлосну енергију уместо да одражавају то. Оно што се одражава, а не апсорбује, налази се у опсегу таласних дужина које људско око и мозак тумаче као одређену боју (савет: Почиње са „г“). Главни пигмент који се користи у ове сврхе познат је као хлорофил.

Хлоропласти су окружени двоструком плазма мембраном, као што је случај са свим живим ћелијама, као и са органелима које садрже. У биљкама, међутим, постоји трећа мембрана унутар двослоја плазме, која се назива тилакоидна мембрана. Ова мембрана је пресавијена у великој мери тако да резултирају структуре сличне дисковима наслагане једна на другу, за разлику од пакета ковница минуса. Ове тилакоидне структуре садрже хлорофил. Простор између унутрашње мембране хлоропласта и тилакоидне мембране назива се стромом.

Фотосинтеза је подељена на скуп светлосно зависних и светлосно независних реакција, које се обично називају светлосне и тамне реакције и касније детаљно описане. Као што сте можда закључили, прво се јављају светлосне реакције.

Када сунчева светлост удари у хлорофил и друге пигменте унутар тилакоида, она у суштини експлодира електрона и протона из атома у хлорофилу и подиже их на виши ниво енергије, чинећи их слободнијим за мигрирати. Електрони се преусмеравају у ланчане транспортне реакције електрона које се одвијају на самој тилакоидној мембрани. Овде електронски акцептори попут НАДП примају неке од ових електрона, који се такође користе за покретање синтезе АТП. АТП је у суштини ћелијама оно што је долар америчком финансијском систему: то је „енергетска валута“ помоћу које се на крају спроводе готово сви метаболички процеси.

Док се то дешава, молекули хлорофила који сунчају одједном су се суочили са недостатком електрона. Овде вода улази у несташицу и доприноси надокнађивању електрона у облику водоника, смањујући тако хлорофил. С нестанком водоника, оно што је некада била вода, данас је молекуларни кисеоник - О₂. Овај кисеоник у потпуности дифундира из ћелије и из биљке, а неки од њих су управо у овој секунди успели да пронађу свој пут у вашим плућима.

Фотосинтеза се назива ендергоничном реакцијом јер захтева унос енергије да би наставила. Сунце је крајњи извор све енергије на планети (чињеница коју су можда на неком нивоу разумели културе антике које су сунце саме по себи сматрале божанством) и биљке су прве које су га пресреле продуктивна употреба. Без ове енергије не би било начина да се угљен-диоксид, мали, једноставни молекул, претвори у глукозу, знатно већи и сложенији молекул. Замислите себе како ходате степеништем док некако не трошите енергију и можете видети проблем са којим се суочавају биљке.

У аритметичком смислу, ендергоничне реакције су оне у којима производи имају виши ниво енергије од реактаната. Супротно од ових реакција, енергетски гледано, називају се ексергоничне, у којима производи имају нижу енергију од реакција и енергија се тиме ослобађа током реакције. (Ово је често у облику топлоте - опет, да ли вам постаје топлије или вам постаје хладније вежбањем?) То се изражава у виду слободне енергије ΔГ ° реакције, која за фотосинтезу износи +479 кЈ ⋅ мол^-1 или 479 џула енергије по молу. Позитивни знак указује на ендотермну реакцију, док негативни знак указује на егзотермички процес.

У светлосним реакцијама вода се раздваја сунчевом светлошћу, док се у мрачним реакцијама протони (Х⁺) и електрони (нпр⁻) ослобођени при светлосним реакцијама користе се за прикупљање глукозе и других угљених хидрата из ЦО₂.

Светлосне реакције су дате формулом:

2Х₂О + светло → О.₂ + 4Х⁺ + 4е⁻(ΔГ ° = +317 кЈ ⋅ мол⁻¹)

а тамне реакције дају:

ЦО₂ + 4Х⁺ + 4е⁻ → ЦХ₂О + Х₂О (ΔГ ° = +162 кЈ ⋅ мол⁻¹)

Све у свему, ово даје комплетну једначину откривену горе:

Х.₂О + светло + ЦО₂ → ЦХ₂О + О₂(ΔГ ° = +479 кЈ ⋅ мол⁻¹)

Можете видети да су оба скупа реакција ендергонична, а реакције светлости јаче.

Енергетско спрезање у живим системима подразумева коришћење енергије која је доступна из једног процеса за покретање других процеса који се иначе не би одвијали. И само друштво некако функционише на овај начин: предузећа често морају да унапред позајмљују велике суме новца да би сишла са предузећа али на крају нека од ових предузећа постају изузетно профитабилна и могу ставити на располагање средства за друга покретања компаније.

Фотосинтеза представља добар пример спреге енергије, јер се енергија сунчеве светлости спаја са реакцијама у хлоропластима, тако да се реакције могу одвијати. Биљка на крају награђује глобални циклус угљеника синтезујући глукозу и друга једињења угљеника која се могу повезати са другим реакцијама, одмах или у будућности. На пример, биљке пшенице производе скроб који се широм света користи као главни извор хране за људе и друге животиње. Али не складишти се сва глукоза коју биљке производе; део се наставља у различите делове биљних ћелија, где је енергија ослобођена гликолизом на крају повезана са реакцијама у биљним митохондријима које резултирају стварањем АТП. Док биљке представљају дно хранидбеног ланца и на њих се широко гледа као на пасивну енергију и кисеоник донатори, они имају своје метаболичке потребе, морају да се повећају и размножавају као и други организми.

Осим тога, студенти често имају проблема са учењем уравнотежења хемијских реакција ако оне нису обезбеђене у уравнотеженом облику. Као резултат, у њиховом пртљању, студенти могу доћи у искушење да промене вредности индекса у молекулима у реакцији како би постигли уравнотежен резултат. Ова забуна може проистећи из сазнања да је дозвољено мењати бројеве испред молекула како би се уравнотежиле реакције. Промена индекса било ког молекула претвара тај молекул у други молекул. На пример, промена О.₂ такође₃ не додаје само 50 посто више кисеоника у односу на масу; он мења гас кисеоника у озон, који не би на сличан начин учествовао у реакцији која се проучава.