Kakšna vrsta reakcije je fotosinteza?

Vsebina

• Kratek pregled fotosinteze
• Kakšna reakcija je fotosinteza?
• Strukture fotosinteze
• Mehanizem fotosinteze
• Ali je fotosinteza endergonična?
• Svetlobne in temne reakcije fotosinteze
• Kaj je spajanje energije?
• Zakaj je mogoče zamenjati naročnine?

Brez vrste kemičnih reakcij, skupno znanih kot fotosinteza, ne bi bili tukaj in tudi nihče drug, ki ga poznate. To bi se vam lahko zdelo nenavadno, če veste, da je fotosinteza izključno za rastline in nekaj mikroorganizmov in da niti ena celica v telesu ali katera koli žival nima naprave za izvedbo tega elegantnega izbora reakcije. Kaj daje?

Preprosto povedano, rastlinsko in živalsko življenje sta skoraj popolnoma simbiotična, kar pomeni, da naj bi način, kako rastline izpolnjujejo svoje presnovne potrebe, zelo koristen za živali in obratno. Preprosto povedano, živali sprejmejo kisik (O)₂) pridobivanje energije iz neplinastih virov ogljika in izločanje plina ogljikovega dioksida (CO₂) in vode (H₂O) v postopku, medtem ko rastline uporabljajo CO₂ in H₂O pripraviti hrano in sprostiti O₂ v okolje. Poleg tega približno 87 odstotkov svetovne energije trenutno izvira iz gorenja fosilnih goriv, ​​ki so navsezadnje tudi produkti fotosinteze.

Včasih pravijo, da je "fotosinteza rastlinam, kar je dihanje živali", vendar je to napačna analogija, ker rastline uporabljajo oboje, medtem ko živali uporabljajo samo dihanje. Fotosintezo si predstavljajte kot način, kako rastline porabljajo in prebavljajo ogljik, pri čemer se zanašajte na svetlobo in ne na gibanje ter na prehrano, da bi ogljik uporabili v obliki, ki jo lahko uporabljajo drobni mobilni stroji.

Kratek pregled fotosinteze

Fotosintezo, čeprav pomemben del živih bitij ne uporablja neposredno, lahko razumljivo obravnavamo kot edini kemični proces, ki je odgovoren za zagotavljanje stalnega obstoja življenja na Zemlji. Fotosintetske celice prevzamejo CO₂ in H₂O, ki jih organizem nabere iz okolja in energijo sončne svetlobe porabi za sintezo glukoze (C₆H₁₂O₆), sprosti O₂ kot odpadni proizvod. To glukozo nato v različnih rastlinah rastline predelajo na enak način, kot živalske celice uporabljajo glukozo: Podvrže se dihanju, da sprosti energijo v obliki adenozin trifosfata (ATP) in sprosti CO₂ kot odpadni proizvod. (Fitoplankton in cianobakterije uporabljajo tudi fotosintezo, vendar za namene te razprave organizme, ki vsebujejo fotosintetske celice, na splošno imenujemo "rastline.")

Organizmi, ki uporabljajo fotosintezo za proizvodnjo glukoze, imenujemo avtotrofi, kar iz grščine prevaja ohlapno na "samohrano". Se pravi, rastline se za hrano ne zanašajo na druge organizme. Po drugi strani so živali heterotrofi ("druga hrana"), ker morajo zaužiti ogljik iz drugih živih virov, da lahko rastejo in ostanejo žive.

Kakšna reakcija je fotosinteza?

Fotosinteza velja za redoks reakcijo. Redox je kratek za "redukcijsko-oksidacijsko", ki opisuje, kaj se na različnih atomskih reakcijah dogaja na atomski ravni. Popolna, uravnotežena formula za niz reakcij, imenovanih fotosinteza, katere sestavine bomo kmalu raziskali, je:

6H₂O + lučka + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Sami lahko preverite, ali je število vsake vrste atoma na vsaki strani puščice enako: Šest ogljikovih atomov, 12 vodikovih atomov in 18 atomov kisika.

Redukcija je odstranjevanje elektronov iz atoma ali molekule, medtem ko oksidacija pridobiva elektrone. Ustrezno temu spojine, ki zlahka oddajajo elektrone drugim spojinam, imenujemo oksidanti, medtem ko tiste, ki pridobivajo elektrone, imenujemo reducenti. Redox reakcije običajno vključujejo dodajanje vodika v spojini, ki se zmanjša.

Strukture fotosinteze

Prvi korak v fotosintezi bi lahko povzeli kot "naj bo svetloba". Sončna svetloba udari na površino rastlin in tako sproži ves postopek. Morda že sumite, zakaj so številne rastline videti tako, kot se zdijo: veliko površin v obliki listov in vej, ki jih podpirajo, kar se zdi nepotrebno (čeprav privlačno), če ne veste, zakaj so ti organizmi strukturirani tako. "Cilj" rastline je čim več izpostaviti sončni svetlobi - narediti najkrajše in najmanjše rastline v katerem koli ekosistemu, namesto trsti živalske stelje, saj se oba trudita pridobiti dovolj energije. Listi, kar ni presenetljivo, so v fotosintetskih celicah izjemno gosti.

Te celice so bogate z organizmi, imenovanimi kloroplasti, kjer se izvaja delo fotosinteze, tako kot so mitohondriji organele, v katerih se pojavi dihanje. Pravzaprav sta si kloroplasti in mitohondriji strukturno precej podobni, dejstvo je, da je tako kot praktično vse na svetu biologije mogoče zaslediti čudeže evolucije.) Kloroplasti vsebujejo specializirane pigmente, ki optimalno absorbirajo svetlobno energijo, ne pa da jo odsevajo. Tisto, kar se odraža in ne absorbira, se nahaja v območju valovnih dolžin, ki jih človeško oko in možgani razlagajo kot posebno 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 je to primer z vsemi živimi celicami, pa tudi z organeli, ki jih vsebujejo. Pri rastlinah pa obstaja tretja membrana znotraj plazemskega dvosloja, ki se imenuje tilakoidna membrana. Ta membrana je zložena zelo obsežno, tako da so ploščate strukture, zložene drug na drugega, ne za razliko od paketa kovnic. Te tilakoidne strukture vsebujejo klorofil. Prostor med notranjo kloroplastno membrano in tilakoidno membrano imenujemo stroma.

Mehanizem fotosinteze

Fotosinteza je razdeljena na niz reakcij, ki so odvisne od svetlobe in od svetlobe, ponavadi jih imenujemo svetla in temna reakcija in podrobno opisane pozneje. Kot ste morda zaključili, se najprej pojavijo svetlobne reakcije.

Ko svetloba od sonca udari klorofil in druge pigmente znotraj tilakoidov, v bistvu črpa ohlapne elektrone in protone iz atomov v klorofilu in jih dvigne na višjo energijsko raven, zaradi česar se lahko hitreje selijo. Elektroni se preusmerijo v reakcije verige prenosa elektronov, ki se odvijajo na sami tilakoidni membrani. Tukaj sprejemalci elektronov, kot je NADP, prejmejo nekaj teh elektronov, ki se uporabljajo tudi za pogon sinteze ATP. ATP je v bistvu celicam, kakšen dolar je ameriškemu finančnemu sistemu: je "energetska valuta", s katero se na koncu izvajajo praktično vsi presnovni procesi.

Medtem ko se to dogaja, se molekule klorofila, ki kopajo na soncu, nenadoma primanjkuje elektronov. Tu voda vstopi v prepad in prispeva nadomestne elektrone v obliki vodika in s tem zmanjša klorofil. Ko je vodik izginil, je bila nekdaj voda molekularni kisik - O₂. Ta kisik se v celici razprši iz celice in iz rastline, nekaj pa je uspelo točno v tej sekundi najti pot v svoja pljuča.

Ali je fotosinteza endergonična?

Fotosintezo imenujemo endergonska reakcija, ker za njeno nadaljevanje potrebuje vnos energije. Sonce je največji vir vse energije na planetu (dejstvo, ki ga na neki ravni morda razumejo različne kulture antike, ki je sonce štelo kot božanstvo samo po sebi) in rastline so prve, ki ga prestrežejo za proizvodno uporabo. Brez te energije ne bi bilo mogoče, da se ogljikov dioksid, majhna, preprosta molekula, pretvori v glukozo, bistveno večjo in bolj kompleksno molekulo. Predstavljajte si, da hodite po stopnicah, medtem ko nekako ne trošite nobene energije, in vidite težave s katerimi se soočajo rastline.

V aritmetičnem smislu so endergonske reakcije tiste, pri katerih imajo proizvodi višjo energijsko raven kot reaktanti. Nasprotno od teh reakcij, energijsko gledano, imenujemo ekstrogonična, v kateri imajo produkti nižjo energijo od reakcij in se s tem med reakcijo sprosti energija. (To je pogosto v obliki vročine - spet postanete toplejši ali z vadbo postanete hladnejši?) To se izrazi v obliki proste energije ΔG ° reakcije, kar za fotosintezo znaša +479 kJ ⋅ mol^-1 ali 479 joulov energije na mol. Pozitiven znak označuje endotermično reakcijo, negativni pa eksotermični proces.

Svetlobne in temne reakcije fotosinteze

V svetlobnih reakcijah voda razpada sončna svetloba, v temnih reakcijah pa protoni (H⁺) in elektronov (npr⁻) sproščeni v svetlobnih reakcijah se uporabljajo za sestavljanje glukoze in drugih ogljikovih hidratov iz CO₂.

Svetlobne reakcije so podane s formulo:

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

in temne reakcije poda:

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

Na splošno je to popolna enačba, razkrita zgoraj:

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

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

Kaj je spajanje energije?

Spajanje energije v živih sistemih pomeni uporabo energije, ki je na voljo iz enega procesa, za pogon drugih procesov, ki sicer ne bi potekali. Društvo nekako deluje tako: Podjetja si morajo pogosto izposoditi velike vsote denarja, da bi se lahko spustila od tal, na koncu pa nekatera od teh podjetij postanejo zelo donosna in lahko dajo sredstva na voljo drugim zagonskim podjetjem.

Fotosinteza predstavlja dober primer spajanja energije, saj je energija sončne svetlobe povezana z reakcijami v kloroplastih, da se lahko reakcije odvijajo. Rastlina sčasoma nagradi svetovni cikel ogljika s sintezo glukoze in drugih ogljikovih spojin, ki se lahko takoj ali v prihodnosti povežejo z drugimi reakcijami. Na primer, rastline pšenice proizvajajo škrob, ki ga uporabljajo v svetu kot glavni vir hrane za ljudi in druge živali. Ni pa shranjena vsa glukoza, ki jo tvorijo rastline; del tega prehaja v različne dele rastlinskih celic, kjer se energija, ki se sprosti pri glikolizi, na koncu poveže z reakcijami v rastlinskih mitohondrijah, ki vodijo do tvorbe ATP. Medtem ko rastline predstavljajo dno prehranjevalne verige in jih na splošno doživljamo kot darovalce pasivne energije in kisika, imajo presnovne potrebe same, zato se morajo večati in razmnoževati tako kot drugi organizmi.

Zakaj je mogoče zamenjati naročnine?

Poleg tega imajo študenti pogosto težave pri uravnavanju kemijskih reakcij, če le-te niso uravnotežene. Zaradi tega lahko študentje v svojem iskanju zamikajo, da bi v reakciji spremenili vrednosti vpisov v molekulah, da bi dosegli uravnotežen rezultat. Ta zmeda lahko izhaja iz vedenja, da je dovoljeno spreminjanje števil pred molekulami, da se uravnotežijo reakcije. Če spremenite podpisnik katere koli molekule, to molekulo pretvori v drugo molekulo. Na primer, sprememba O₂ do O₃ ne doda samo 50 odstotkov več kisika glede na maso; spremeni kisikov plin v ozon, ki ne bi sodeloval v proučevani reakciji na podoben način.