Hvilken reaktion er fotosyntesen?

Indhold

• Et hurtigt overblik over fotosyntesen
• Hvilken type reaktion er fotosyntesen?
• Strukturerne i fotosyntesen
• Mekanismen for fotosyntesen
• Er fotosyntesen endergonisk?
• De lys og mørke reaktioner fra fotosyntesen
• Hvad er energikobling?
• Hvorfor kan man ikke ændre abonnementer?

Uden serien med kemiske reaktioner, der samlet kaldes fotosyntese, ville du ikke være her, og heller ingen andre, du kender. Dette kan slå dig som en underlig påstand, hvis du tilfældigvis ved, at fotosyntesen er eksklusiv for planter og et par mikroorganismer, og at ikke en enkelt celle i din krop eller noget dyr har apparatet til at udføre dette elegante sortiment af reaktioner. Hvad giver?

Kort sagt er planteliv og dyreliv næsten perfekt symbiotisk, hvilket betyder, at planternes måde at opfylde deres metaboliske behov er yderst fordel for dyrene og vice versa. På enkleste vilkår indtager dyr iltgas (O₂) at hente energi fra ikke-gasformige kulstofkilder og udskille kuldioxidgas (CO₂) og vand (H₂O) i processen, mens planter bruger CO₂ og H₂O for at lave mad og frigive O₂ til miljøet. Derudover stammer ca. 87 procent af verdens energi i øjeblikket fra forbrænding af fossile brændstoffer, som i sidste ende også er produkter af fotosyntese.

Det siges undertiden, at "fotosyntese er planter, hvad respiration er for dyr," men dette er en mangelfuld analogi, fordi planter bruger begge dele, mens dyr kun bruger respiration. Tænk på fotosyntesen som den måde, planter forbruger og fordøjer kulstof på, afhængigt af lys snarere end bevægelse og handlingen med at spise for at sætte kulstof i en form, som små cellulære maskiner kan bruge.

Et hurtigt overblik over fotosyntesen

Fotosyntese, selv om den ikke bruges direkte af en betydelig del af de levende ting, kan med rimelighed betragtes som den ene kemiske proces, der er ansvarlig for at sikre den fortsatte eksistens af liv på selve Jorden. Fotosyntetiske celler tager CO₂ og H₂O opsamlet af organismen fra miljøet og brug energien fra sollys til at styrke syntesen af ​​glukose (C₆H₁₂O₆), frigiver O₂ som et affaldsprodukt. Denne glukose behandles derefter af forskellige celler i planten på samme måde som glukose bruges af dyreceller: Den gennemgår respiration for at frigive energi i form af adenosintrifosfat (ATP) og frigiver CO₂ som et affaldsprodukt. (Planteplankton og cyanobakterier gør også brug af fotosyntesen, men med henblik på denne diskussion omtales organismer, der indeholder fotosyntetiske celler, generisk som "planter.")

Organismer, der bruger fotosyntesen til at fremstille glukose kaldes autotrofer, som løst oversættes fra græsk til "egen mad." Det vil sige, at planter ikke er afhængige af andre organismer direkte til mad. Dyr er på den anden side heterotrofer ("anden mad"), fordi de er nødt til at indtage kul fra andre levende kilder for at vokse og forblive i live.

Hvilken type reaktion er fotosyntesen?

Fotosyntese betragtes som en redoxreaktion. Redox er en forkortelse med "reduktion-oxidation", som beskriver, hvad der sker på atomniveauet i de forskellige biokemiske reaktioner. Den komplette, afbalancerede formel for serien af ​​reaktioner kaldet fotosyntese - hvis komponenter snart vil blive udforsket - er:

6H₂O + lys + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Du kan selv verificere, at antallet af hver type atom er det samme på hver side af pilen: Seks carbonatomer, 12 hydrogenatomer og 18 oxygenatomer.

Reduktion er fjernelse af elektroner fra et atom eller molekyle, mens oxidation er vindingen af ​​elektroner. Tilsvarende kaldes forbindelser, der let giver elektroner til andre forbindelser oxidationsmidler, mens de, der har tendens til at få elektroner, kaldes reduktionsmidler. Redoxreaktioner involverer normalt, at tilsætning af brint til forbindelsen reduceres.

Strukturerne i fotosyntesen

Det første trin i fotosyntesen kan muligvis opsummeres som "lad der være lys." Sollys rammer planternes overflade og sætter hele processen i gang. Du har måske allerede mistanke om, hvorfor mange planter ser ud som de gør: Meget overfladeareal i form af blade og grene, der understøtter dem, der ser unødvendige ud (omend attraktive), hvis du ikke ved, hvorfor disse organismer er struktureret på denne måde. Plantens "mål" er at udsætte så meget af sig selv for sollys, som det kan - at gøre de korteste, mindste planter i ethvert økosystem snarere som runer fra et dyrekuld, idet de begge kæmper for at få tilstrækkelig energi. Blade er ikke overraskende ekstremt tætte i fotosyntetiske celler.

Disse celler er rige på organismer, der kaldes kloroplaster, og det er her fotosyntesen udføres, ligesom mitokondrier er de organeller, hvor respiration forekommer. Faktisk er kloroplaster og mitokondrier strukturelt ret ens, et faktum, at ligesom praktisk talt alt i biologiens verden kan spores til evolutionsundersøgelser.) Chloroplaster indeholder specialiserede pigmenter, der optimalt absorberer lysenergi i stedet for at reflektere den. Det, der reflekteres snarere end absorberet, sker i en række bølgelængder, der af det menneskelige øje og hjerne fortolkes som en bestemt farve (tip: Det starter med "g"). Det vigtigste pigment, der bruges til dette formål, er kendt som chlorophyll.

Chloroplaster er omgivet af en dobbelt plasmamembran, som det er tilfældet med alle levende celler såvel som de organeller, de indeholder. I planter findes der imidlertid en tredje membran intern i plasma-laget, kaldet en thylakoidmembran. Denne membran er foldet meget udstrakt, så at forskellige strukturer stablet ovenpå hinanden resulterer, ikke i modsætning til en pakke med åndedræt. Disse thylakoide strukturer indeholder klorofyl. Rummet mellem den indre chloroplastmembran og thylakoidmembranen kaldes stroma.

Mekanismen for fotosyntesen

Fotosyntesen er opdelt i et sæt lysafhængige og lysuafhængige reaktioner, normalt kaldet de lyse og mørke reaktioner og beskrevet detaljeret senere. Som du måske har konkluderet, forekommer lysreaktionerne først.

Når lys fra solen rammer klorofylen og andre pigmenter inde i thylakoiderne, sprænger det i det væsentlige løse elektroner og protoner fra atomerne i klorofyll og løfter dem til et højere energiniveau, hvilket gør dem friere til at migrere. Elektronerne omdirigeres til elektrontransportkædereaktioner, der udfolder sig på selve thylakoidmembranen. Her modtager elektronacceptorer såsom NADP nogle af disse elektroner, som også bruges til at drive syntesen af ​​ATP. ATP er i det væsentlige for cellerne, hvad dollars er for det amerikanske finansielle system: Det er "energivalutaen", som stort set alle metaboliske processer udføres i sidste ende.

Mens dette sker, har de solbadende klorofyllmolekyler pludselig fundet sig korte af elektroner. Det er her vand kommer ind i fronten og bidrager med udskiftningselektroner i form af brint, hvorved klorofylen reduceres. Da det brint mangler, er det, der engang var vand, molekylært ilt - O₂. Dette ilt diffunderer helt ud af cellen og ud af planten, og noget af det har formået at finde vej ind i dine egne lunger på netop dette sekund.

Er fotosyntesen endergonisk?

Fotosyntese kaldes en endergonic reaktion, fordi den kræver et input af energi for at fortsætte. Solen er den ultimative kilde til al energi på planeten (en kendsgerning, som måske forstås på et eller andet niveau af de forskellige antikulturer, der betragter solen som en guddhed i sig selv), og planter er de første til at opfange den til produktiv brug. Uden denne energi ville der ikke være nogen måde for omdannelse af kuldioxid, et lille, simpelt molekyle til glukose, et betydeligt større og mere komplekst molekyle. Forestil dig, at du går op ad trappen, mens du på en eller anden måde ikke bruger nogen energi, og du kan se det problem, som planter står overfor.

I aritmetiske termer er endergoniske reaktioner dem, hvor produkterne har et højere energiniveau end reaktanterne gør. Det modsatte af disse reaktioner kaldes energisk set eksergonisk, hvor produkterne har lavere energi end reaktionerne, og derved frigøres energi under reaktionen. (Dette er ofte i form af varme - igen, bliver du varmere eller bliver du koldere med træning?) Dette udtrykkes som den frie energi ΔG ° af reaktionen, som for fotosyntesen er +479 kJ ⋅ mol^-1 eller 479 joule energi pr. mol. Det positive tegn indikerer en endotermisk reaktion, mens et negativt tegn indikerer en eksotermisk proces.

De lys og mørke reaktioner fra fotosyntesen

I lysreaktionerne brydes vand fra hinanden af ​​sollys, mens protonerne i de mørke reaktioner (H⁺) og elektroner (f.eks⁻) frigivet i lysreaktionerne bruges til at samle glukose og andre kulhydrater fra CO₂.

Lysreaktionerne er givet med formlen:

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

og de mørke reaktioner er givet ved:

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

Alt i alt giver dette den komplette ligning afsløret ovenfor:

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

Du kan se, at begge reaktionssæt er endergonic, lysreaktionerne mere kraftigt.

Hvad er energikobling?

Energikobling i levende systemer betyder brug af energi, der stilles til rådighed fra en proces til at drive andre processer, der ellers ikke ville finde sted. Samfundet selv fungerer slags på denne måde: Virksomheder er ofte nødt til at låne store pengesummer foran for at komme af jorden, men i sidste ende bliver nogle af disse virksomheder meget rentable og kan stille midler til rådighed for andre nystartede virksomheder.

Fotosyntese repræsenterer et godt eksempel på energikobling, da energi fra sollys kobles til reaktioner i kloroplaster, så reaktionerne kan udfolde sig. Planten belønner til sidst den globale kulstofcyklus ved at syntetisere glukose og andre carbonforbindelser, der kan kobles til andre reaktioner, øjeblikkeligt eller i fremtiden. For eksempel producerer hvedeplanter stivelse, der bruges over hele verden som en vigtigste kilde til fødevarer til mennesker og andre dyr. Men ikke al glukose fremstillet af planter lagres; noget af det fortsætter til forskellige dele af planteceller, hvor energien, der frigøres ved glykolyse, i sidste ende kobles til reaktioner i plantens mitokondrier, der resulterer i dannelse af ATP. Mens planter repræsenterer bunden af ​​fødekæden og betragtes i vid udstrækning som passiv energi og iltdonorer, har de metaboliske behov af sig selv og bliver nødt til at vokse sig større og formere sig ligesom andre organismer.

Hvorfor kan man ikke ændre abonnementer?

Til side har studerende ofte problemer med at lære at afbalancere kemiske reaktioner, hvis disse ikke leveres i afbalanceret form. Som et resultat af dem, kan deres studerende blive fristet til at ændre værdierne på underskrifterne i molekyler i reaktionen for at opnå et afbalanceret resultat. Denne forvirring kan stamme fra at vide, at det er tilladt at ændre antallet foran molekylerne for at afbalancere reaktioner. Ændring af abonnementet på ethvert molekyle forvandler dette molekyle til et andet molekyle. For eksempel at ændre O₂ også₃ tilsætter ikke blot 50 procent mere ilt i form af masse; den ændrer iltgas til ozon, som ikke ville deltage i reaktionen, der undersøges på en fjernt lignende måde.