Aký druh reakcie je fotosyntéza?

Obsah

• Stručný prehľad fotosyntézy
• Aký typ reakcie je fotosyntéza?
• Štruktúry fotosyntézy
• Mechanizmus fotosyntézy
• Je fotosyntéza endergonická?
• Svetelné a tmavé reakcie fotosyntézy
• Čo je to energetická väzba?
• Prečo zmeniť predplatné odberateľov?

Bez série chemických reakcií kolektívne známych ako fotosyntéza by ste tu neboli a nikto iný by ste nepoznali. Toto by vás mohlo považovať za zvláštne tvrdenie, ak viete, že fotosyntéza je výlučne pre rastliny a niekoľko mikroorganizmov a že ani jedna bunka vo vašom tele, ani bunka iného zvieraťa nemá prístroj na vykonávanie tohto elegantného sortimentu reakcie. Čo dáva?

Zjednodušene povedané, život rastlín a život zvierat sú takmer dokonale symbiotické, čo znamená, že spôsob, akým rastliny postupujú pri napĺňaní svojich metabolických potrieb, je pre zvieratá najvyšším prínosom a naopak. Zjednodušene povedané, zvieratá prijímajú plynný kyslík (O₂) získavať energiu z neplynových zdrojov uhlíka a vylučovať plynný oxid uhličitý (CO₂) a vodou (H₂O) v procese, zatiaľ čo rastliny používajú CO₂ a H₂O na prípravu jedla a uvoľnenie O₂ do životného prostredia. Okrem toho asi 87 percent svetovej energie v súčasnosti pochádza zo spaľovania fosílnych palív, ktoré sú v konečnom dôsledku tiež produktom fotosyntézy.

Niekedy sa hovorí, že „fotosyntéza je rastlinám, aké dýchanie je pre zvieratá“, ale je to chybná analógia, pretože rastliny využívajú obidve, zatiaľ čo zvieratá používajú iba dýchanie. Porozmýšľajte o fotosyntéze ako o spôsobe, akým rastliny spotrebúvajú a trávia uhlík, pričom sa spoliehajú skôr na svetlo ako na pohyb a akt jedenia, aby dávali uhlík do formy, ktorú môžu použiť malé bunkové stroje.

Stručný prehľad fotosyntézy

Fotosyntézu, hoci sa priamo nepoužíva významnou časťou živých vecí, možno rozumne považovať za jeden chemický proces zodpovedný za zabezpečenie pokračujúcej existencie života na Zemi samotnej. Fotosyntetické bunky prijímajú CO₂ a H₂O zozbierané organizmom z prostredia a využívajúce energiu zo slnečného svetla na podporu syntézy glukózy (C₆H₁₂O₆), uvoľnenie O₂ ako odpadový produkt. Táto glukóza je potom spracovaná rôznymi bunkami v rastline rovnakým spôsobom ako glukóza je použitá v živočíšnych bunkách: Podstupuje dýchanie, aby uvoľnila energiu vo forme adenozíntrifosfátu (ATP) a uvoľňuje CO₂ ako odpadový produkt. (Fytoplanktón a cyanobaktérie tiež využívajú fotosyntézu, ale na účely tejto diskusie sa organizmy obsahujúce fotosyntetické bunky všeobecne označujú ako „rastliny“).

Organizácie, ktoré používajú fotosyntézu na výrobu glukózy, sa nazývajú autotrofy, ktoré sa voľne prekladajú z gréčtiny do „vlastného jedla“. To znamená, že sa rastliny pri potravinách nespoliehajú priamo na iné organizmy. Na druhej strane, zvieratá sú heterotrofy („iné potraviny“), pretože na to, aby mohli rásť a zostať nažive, musia prijímať uhlík z iných živých zdrojov.

Aký typ reakcie je fotosyntéza?

Fotosyntéza sa považuje za redoxnú reakciu. Redox je skratka pre „redukčnú oxidáciu“, ktorá opisuje, čo sa deje na atómovej úrovni pri rôznych biochemických reakciách. Úplný a vyvážený vzorec pre sériu reakcií nazývaných fotosyntéza - ktorej zložky sa v krátkom čase preskúmajú - je:

6H₂O + svetlo + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Môžete si overiť, že počet každého typu atómu je na každej strane šípky rovnaký: Šesť atómov uhlíka, 12 atómov vodíka a 18 atómov kyslíka.

Redukcia je odstránenie elektrónov z atómu alebo molekuly, zatiaľ čo oxidácia je získavanie elektrónov. Podobne, zlúčeniny, ktoré ľahko poskytujú elektróny iným zlúčeninám, sa nazývajú oxidačné činidlá, zatiaľ čo zlúčeniny, ktoré majú tendenciu získavať elektróny, sa nazývajú redukčné činidlá. Redoxné reakcie zvyčajne zahŕňajú pridanie vodíka k redukovanej zlúčenine.

Štruktúry fotosyntézy

Prvý krok vo fotosyntéze možno zhrnúť ako „nech je svetlo“. Slnečné svetlo zasiahne povrch rastlín a celý proces uvedie do pohybu. Možno už máte podozrenie, prečo mnoho rastlín vyzerá tak, ako vyzerajú: Veľká plocha povrchu vo forme listov a vetiev, ktoré ich podporujú, sa javí ako zbytočná (aj keď príťažlivá), ak neviete, prečo sú tieto organizmy takto štruktúrované. „Cieľom“ rastliny je vystaviť toľko slnečného žiarenia, koľko len dokáže - urobiť z najmenších a najmenších rastlín v akomkoľvek ekosystéme skôr ako útržky zvieracieho odpadu tým, že sa oba snažia získať dostatok energie. Listy nie sú prekvapujúce, že vo fotosyntetických bunkách sú veľmi husté.

Tieto bunky sú bohaté na organizmy nazývané chloroplasty, čo je miesto, kde sa vykonáva fotosyntéza, rovnako ako mitochondrie sú organely, v ktorých sa vyskytuje dýchanie. V skutočnosti sú chloroplasty a mitochondrie štrukturálne dosť podobné, skutočnosť, že rovnako ako prakticky všetko vo svete biológie je možné vysledovať k zázrakom evolúcie.) Chloroplasty obsahujú špeciálne pigmenty, ktoré optimálne absorbujú svetelnú energiu, a nie ju odrážajú. To, čo sa skôr odráža ako absorbuje, sa vyskytuje v rozsahu vlnových dĺžok, ktoré ľudské oko a mozog interpretujú ako určitú farbu (náznak: Začína sa písmenom „g“). Hlavným pigmentom použitým na tento účel je známy chlorofyl.

Chloroplasty sú obklopené dvojitou plazmatickou membránou, ako je to v prípade všetkých živých buniek, ako aj organel, ktoré obsahujú. V rastlinách však existuje tretia membrána interne v plazmatickej dvojvrstve, nazývaná tylakoidová membrána. Táto membrána je veľmi zložená, takže disclike štruktúry naskladané na seba, nie na rozdiel od balíčka dychových mincí. Tieto tylakoidné štruktúry obsahujú chlorofyl. Priestor medzi vnútornou chloroplastovou membránou a tylakoidovou membránou sa nazýva stroma.

Mechanizmus fotosyntézy

Fotosyntéza je rozdelená do súboru reakcií závislých od svetla a od svetla, ktoré sa zvyčajne nazývajú reakcie svetla a tmy a ktoré sú podrobnejšie opísané neskôr. Ako ste možno dospeli k záveru, svetelné reakcie sa objavujú ako prvé.

Keď svetlo zo slnka zasiahne chlorofyl a ďalšie pigmenty vo vnútri tylakoidov, v podstate odpáli uvoľnené elektróny a protóny z atómov v chlorofyle a zvýši ich na vyššiu energetickú hladinu, čo im umožní voľnejšie migrovať. Elektróny sú odklonené do reťazových reakcií elektrónového transportu, ktoré sa odohrávajú na samotnej tylakoidovej membráne. Tu prijímače elektrónov, ako je NADP, prijímajú niektoré z týchto elektrónov, ktoré sa tiež používajú na riadenie syntézy ATP. ATP je v podstate bunka, čo sú doláre do amerického finančného systému: Je to „energetická mena“, pomocou ktorej sa v konečnom dôsledku uskutočňujú prakticky všetky metabolické procesy.

Zatiaľ čo sa to deje, molekuly chlorofylu na kúpanie na slnku sa náhle ocitli bez elektrónov. To je miesto, kde voda vstupuje do poteru a prispieva náhradnými elektrónmi vo forme vodíka, čím sa znižuje chlorofyl. Keď zmizol vodík, v minulosti bola voda molekulárnym kyslíkom - O₂, Tento kyslík difunduje z bunky a von z rastliny úplne a niektorému z nich sa podarilo nájsť cestu do vašich vlastných pľúc presne v túto sekundu.

Je fotosyntéza endergonická?

Fotosyntéza sa nazýva endergonická reakcia, pretože na to, aby bolo možné pokračovať, vyžaduje vstup energie. Slnko je konečným zdrojom všetkej energie na planéte (skutočnosť, ktorú možno na určitej úrovni chápu rôzne kultúry staroveku, ktoré považovali slnko za božstvo samo o sebe) a rastliny ako prvé ho zachytili na produktívne použitie. Bez tejto energie by nebolo možné premeniť oxid uhličitý, malú jednoduchú molekulu na glukózu, podstatne väčšiu a zložitejšiu molekulu. Predstavte si, že kráčate po schodoch a pritom nejako nevyčerpáte žiadnu energiu, a môžete vidieť problém, ktorému čelia rastliny.

Z aritmetického hľadiska sú endergonickými reakciami také reakcie, pri ktorých majú produkty vyššiu energetickú hladinu ako reaktanty. Opak týchto reakcií, energeticky povedané, sa nazýva exergonický, v ktorých produkty majú nižšiu energiu ako reakcie a energia sa teda počas reakcie uvoľňuje. (Toto je často vo forme tepla - opäť sa otepľujete alebo cvičením ochladzujete?) Vyjadruje sa to ako voľná energia ΔG ° z reakcie, ktorá pre fotosyntézu je +479 kJ ⋅ mol^-1 alebo 479 joulov energie na mól. Pozitívne znamenie označuje endotermickú reakciu, zatiaľ čo záporné znamenie znamená exotermický proces.

Svetelné a tmavé reakcie fotosyntézy

Pri svetelných reakciách sa voda láma slnečným žiarením, zatiaľ čo v tmavých reakciách protóny (H⁺) a elektróny (napr⁻) uvoľnené pri svetelných reakciách sa používajú na zostavenie glukózy a iných uhľohydrátov 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 (AG ° = +162 kJ ⋅ mol⁻¹)

Celkovo sa získa celá uvedená rovnica uvedená vyššie:

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

Môžete vidieť, že obe skupiny reakcií sú endergonické, reakcie svetla sú tak silnejšie.

Čo je to energetická väzba?

Spojenie energie v živých systémoch znamená využívanie energie sprístupnenej z jedného procesu na riadenie iných procesov, ktoré by sa inak neuskutočnili. Samotná spoločnosť tak nejako funguje: Podniky si často musia požičať veľké sumy peňazí vopred, aby sa dostali z terénu, ale nakoniec sa niektoré z týchto podnikov stanú vysoko výnosnými a môžu sprístupniť finančné prostriedky iným začínajúcim spoločnostiam.

Fotosyntéza predstavuje dobrý príklad energetickej väzby, pretože energia zo slnečného svetla je spojená s reakciami v chloroplastoch, takže sa reakcie môžu rozvíjať. Rastlina nakoniec odmeňuje globálny uhlíkový cyklus syntézou glukózy a ďalších zlúčenín uhlíka, ktoré môžu byť spojené s inými reakciami okamžite alebo v budúcnosti. Napríklad rastliny pšenice produkujú škrob, ktorý sa po celom svete používa ako hlavný zdroj potravín pre ľudí a iné zvieratá. Ale nie všetka glukóza produkovaná rastlinami je uložená; niektoré z nich prechádzajú do rôznych častí rastlinných buniek, kde energia uvoľnená pri glykolýze je nakoniec spojená s reakciami v mitochondriách rastlín, ktoré vedú k tvorbe ATP. Kým rastliny predstavujú spodok potravinového reťazca a sú všeobecne považované za pasívnych darcov energie a kyslíka, majú vlastné metabolické potreby, musia rásť a rozmnožovať sa rovnako ako iné organizmy.

Prečo zmeniť predplatné odberateľov?

Študenti majú často problémy naučiť sa vyvážiť chemické reakcie, ak nie sú poskytované vo vyváženej forme. V dôsledku toho môžu byť študenti v pokušení v pokušení zmeniť hodnoty indexov v molekulách v reakcii, aby sa dosiahol vyvážený výsledok. Tento zmätok môže vyplývať z poznania, že je možné meniť čísla pred molekulami, aby sa vyvážili reakcie. Zmena dolného indexu akejkoľvek molekuly zmení túto molekulu na inú molekulu úplne. Napríklad zmena O₂ tiež₃ nepridáva iba o 50 percent viac kyslíka, pokiaľ ide o hmotnosť; mení kyslíkový plyn na ozón, ktorý by sa nezúčastňoval na skúmanej reakcii vzdialene podobným spôsobom.