Millainen reaktio on fotosynteesi?

Sisältö

• Nopea yleiskuvaus fotosynteesistä
• Millainen reaktio on fotosynteesi?
• Fotosynteesin rakenteet
• Fotosynteesin mekanismi
• Onko fotosynteesi endergoninen?
• Fotosynteesin valon ja pimeän reaktiot
• Mikä on energiakytkentä?
• Miksi Cant-tilauksia ei tarvitse muuttaa?

Ilman kemiallisten reaktioiden sarjaa, jota kutsutaan yhdessä fotosynteesiksi, et olisi täällä eikä kukaan muu sinä tiedä. Tämä saattaa tuntua oudolta väitteeltä, jos tiedät, että fotosynteesi on yksinomaan kasveille ja muutamille mikro-organismeille ja että yhdelläkään kehon tai minkään eläimen solulla ei ole laitteistoa tämän tyylikkään valikoiman reaktioita. Mikä antaa?

Yksinkertaisesti sanottuna, kasvi- ja eläinelämä ovat melkein täysin symbioottisia, mikä tarkoittaa, että tapa, jolla kasvit etenevät täyttämällä aineenvaihduntatarpeensa, on eläimille erittäin hyödyllistä ja päinvastoin. Yksinkertaisesti sanottuna eläimet ottavat happea kaasuun (O₂) energian tuottamiseksi ei-kaasumaisista hiililähteistä ja hiilidioksidikaasun (CO₂) ja vettä (H₂O) prosessissa, kun taas kasvit käyttävät CO: ta₂ ja H₂O tehdä ruokaa ja vapauttaa O₂ ympäristöön. Lisäksi noin 87 prosenttia maailman energiasta saadaan nykyään fossiilisten polttoaineiden palamisesta, jotka ovat lopulta myös fotosynteesin tuotteita.

Toisinaan sanotaan, että "fotosynteesi on kasveille mitä hengitys on eläimille", mutta tämä on virheellinen analogia, koska kasvit käyttävät molempia, kun taas eläimet käyttävät vain hengitystä. Ajattele fotosynteesiä tapana, jolla kasvit kuluttavat ja sulavat hiiltä, ​​luottaen pikemminkin valoon kuin liikkeeseen ja syömiseen, jotta hiili saadaan muotoon, jonka pienet solukoneet voivat käyttää.

Nopea yleiskuvaus fotosynteesistä

Fotosynteesiä voidaan pitää kohtuudella yhtenä kemiallisena prosessina, joka vastaa itse maapallolla jatkuvan elämän olemassaolosta, vaikka sitä ei käytetä suoraan merkittävä osa elävistä esineistä. Fotosynteesisolut ottavat CO: n₂ ja H₂O, jotka organismi kerää ympäristöstä ja käyttää auringonvalon energiaa glukoosin (C₆H₁₂O₆), vapauttaen O₂ jätteenä. Sitten tätä sokeria prosessoidaan kasvin eri soluissa samalla tavalla kuin eläinsolut käyttävät glukoosia: Sille tehdään hengitys, jotta energia vapautuu adenosiinitrifosfaatin (ATP) muodossa ja vapauttaa CO₂ jätteenä. (Kasviplanktonissa ja syanobakteereissa käytetään myös fotosynteesiä, mutta tätä keskustelua varten fotosynteettisiä soluja sisältäviä organismeja kutsutaan geneerisesti "kasveiksi".)

Organismeja, jotka käyttävät fotosynteesiä glukoosin valmistukseen, kutsutaan autotrofeiksi, mikä kääntää kreikan kielestä löyhästi "omaan ruokaan". Eli kasvit eivät ole riippuvaisia ​​muista organismeista suoraan ruokaa varten. Eläimet puolestaan ​​ovat heterotrofeja ("muuta ruokaa"), koska niiden on syötettävä hiiltä muista elävistä lähteistä kasvaakseen ja pysyäkseen hengissä.

Millainen reaktio on fotosynteesi?

Fotosynteesiä pidetään redox-reaktiona. Redox on lyhenne "pelkistys-hapettumisesta", joka kuvaa sitä, mitä tapahtuu atomitasolla erilaisissa biokemiallisissa reaktioissa. Täydellinen, tasapainoinen kaava fotosynteesiksi kutsutulle reaktioille, joiden komponentteja tutkitaan pian - on:

6H₂O + valo + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Voit varmistaa itse, että jokaisella atomityypillä on sama määrä nuolen kummallakin puolella: Kuusi hiiliatomia, 12 vetyatomia ja 18 happiatomia.

Pelkistys on elektronien poistamista atomista tai molekyylistä, kun taas hapetus on elektronien saamista. Vastaavasti yhdisteitä, jotka antavat helposti elektroneja muille yhdisteille, kutsutaan hapettimiksi, kun taas yhdisteitä, joilla on taipumus saada elektronia, kutsutaan pelkistäviksi aineiksi. Redox-reaktioihin sisältyy yleensä vedyn lisääminen pelkistävään yhdisteeseen.

Fotosynteesin rakenteet

Fotosynteesin ensimmäinen askel voidaan tiivistää seuraavasti: "olkoon valoa". Auringonvalo osuu kasvien pintaan ja asettaa koko prosessin liikkeelle. Saatat jo epäillä, miksi monet kasvit näyttävät siltä kuin ne tekevät: Suuri pinta-ala lehtien ja niitä tukevien oksien muodossa, joka vaikuttaa tarpeettomalta (vaikkakin houkuttelevalta), jos et tiedä miksi nämä organismit rakentuvat tällä tavalla. Kasvin "päämäärä" on altistaa niin paljon itsestään auringonvalolle kuin mahdollista - tekemällä minkä tahansa ekosysteemin lyhyimmistä, pienimmistä kasveista pikemminkin kuin eläinhiekan runsseja, koska ne molemmat kamppailevat saadakseen tarpeeksi energiaa. Lehdet, ei yllättäen, ovat erittäin tiheitä fotosynteesisoluissa.

Nämä solut sisältävät runsaasti klooroplasteiksi kutsuttuja organismeja, joissa tapahtuu fotosynteesin työ, samoin kuin mitokondriat ovat organelleja, joissa hengitys tapahtuu. Itse asiassa kloroplastit ja mitokondriat ovat rakenteellisesti melko samankaltaisia, tosiasia, että kuten käytännöllisesti katsoen kaikessa biologian maailmassa, voidaan jäljittää evoluution ihmeisiin.) Kloroplastit sisältävät erikoistuneita pigmenttejä, jotka absorboivat optimaalisesti valon energiaa sen sijaan, että heijastavat sitä. Se, mikä heijastuu pikemminkin kuin absorboituneena, tapahtuu aallonpituusalueella, jonka ihmisen silmä ja aivot tulkitsevat erityisenä värinä (vihje: Se alkaa "g"). Tärkein tähän tarkoitukseen käytetty pigmentti tunnetaan klorofyllinä.

Klooriplasteja ympäröi kaksinkertainen plasmamembraani, kuten kaikissa elävissä soluissa ja niiden sisältämissä organelleissa. Kasveissa plasman kaksikerroksessa on kuitenkin kolmas kalvo, nimeltään tylakoidikalvo. Tämä kalvo on taitettu erittäin laajasti siten, että diskonttiset rakenteet, jotka on pinottu toistensa yläpuolelle, johtavat tulokseen, toisin kuin hengitysminttupaketti. Nämä tylakoidirakenteet sisältävät klorofylliä. Sisäisen kloroplastikalvon ja tylakoidikalvon välistä tilaa kutsutaan stroomaksi.

Fotosynteesin mekanismi

Fotosynteesi jaetaan joukkoon valo-riippuvaisia ​​ja valosta riippumattomia reaktioita, joita yleensä kutsutaan valo- ja tummareaktioiksi ja joita kuvataan yksityiskohtaisesti myöhemmin. Kuten olet jo päättänyt, valoreaktiot tapahtuvat ensin.

Kun auringonvalo osuu klorofylliin ja muihin pigmentteihin tylakoidien sisällä, se räjäyttää olennaisesti irtonaisia ​​elektroneja ja protoneja klorofyllin atomeista ja nostaa ne korkeammalle energiatasolle, jolloin ne voivat vapaammin vaeltaa. Elektronit ohjataan elektronien kuljetusketjureaktioihin, jotka avautuvat itse tylakoidikalvolle. Täällä elektronien vastaanottajat, kuten NADP, vastaanottavat joitakin näistä elektroneista, joita käytetään myös ohjaamaan ATP: n synteesiä. ATP on pääasiassa soluille mitä dollareita ovat Yhdysvaltain finanssijärjestelmälle: Se on "energiavaluutta", jonka avulla käytännössä kaikki aineenvaihduntaprosessit viime kädessä suoritetaan.

Vaikka tämä tapahtuu, auringossa kylpevässä klorofyylimolekyylissä on yhtäkkiä löydetty elektroneja. Tästä kohdasta vesi tulee rapistumaan ja myötävaikuttaa korvauselektroneihin vedyn muodossa, vähentäen siten klorofyllin määrää. Kun vety oli kadonnut, se, mikä aikaisemmin oli vettä, on nyt molekyylihappi - O₂. Tämä happi diffundoituu kokonaan solusta ja pois kasvista, ja osa siitä on onnistunut löytämään tiensä keuhkoihisi juuri tällä sekunnilla.

Onko fotosynteesi endergoninen?

Fotosynteesiä kutsutaan endergonic reaktioksi, koska sen eteneminen vaatii energian syöttämistä. Aurinko on lopullinen kaiken energian lähde planeetalla (tosiasia, jonka tietysti ymmärtävät jollain tasolla antiikin eri kulttuurit, jotka pitivät aurinkoa itsenäisenä jumaluutena), ja kasvit ovat ensimmäiset sieppaamassa sen tuottavaan käyttöön. Ilman tätä energiaa hiilidioksidi, pieni, yksinkertainen molekyyli, ei voisi muuttua glukoosiksi, huomattavasti suuremmaksi ja monimutkaisemmaksi molekyyliksi. Kuvittele itsesi kävelevän portaita ylöspäin, vaikka et jotenkin kuluta energiaa, ja voit nähdä kasvien kohtaaman ongelman.

Aritmeettisesti endergoniset reaktiot ovat niitä, joissa tuotteilla on korkeampi energiataso kuin reagensseilla. Näiden reaktioiden vastakkaisia ​​kohtia, energisesti ottaen, kutsutaan eksergonisiksi, joissa tuotteilla on vähemmän energiaa kuin reaktioilla ja energia vapautuu siten reaktion aikana. (Tämä tapahtuu usein lämmön muodossa - muuttuuko taas lämpimämmäksi vai muuttuuko kylmämmäksi harjoituksen aikana?) Tämä ilmaistaan ​​reaktion vapaana energiana ΔG °, joka fotosynteesissä on +479 kJ ⋅ mol^-1 tai 479 joulea energiaa moolia kohti. Positiivinen merkki ilmaisee endotermisen reaktion, kun taas negatiivinen merkki osoittaa eksotermisen prosessin.

Fotosynteesin valon ja pimeän reaktiot

Valoreaktioissa auringonvalo hajottaa veden, kun taas pimeässä reaktioissa protonit (H⁺) ja elektronit (esim⁻), jotka vapautuvat kevyissä reaktioissa, käytetään sokerin ja muiden hiilihydraattien kokoamiseen CO: sta₂.

Kevyt reaktiot annetaan kaavalla:

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

ja pimeät reaktiot antavat:

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

Kaiken kaikkiaan tämä tuottaa yllä esitetyn täydellisen yhtälön:

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

Voit nähdä, että molemmat reaktiojoukot ovat endergonisia, kevyet reaktiot niin voimakkaammin.

Mikä on energiakytkentä?

Energian kytkentä elävissä järjestelmissä tarkoittaa yhdestä prosessista saatavana olevan energian käyttämistä muiden prosessien ohjaamiseksi, joita muuten ei tapahdu. Itse yhteiskunta toimii tavallaan näin: Yritysten on usein lainattava etukäteen suuria rahasummia päästäkseen alkuun, mutta viime kädessä joistakin näistä yrityksistä tulee erittäin kannattavia ja ne voivat tarjota varoja muiden aloittavien yritysten käyttöön.

Fotosynteesi on hyvä esimerkki energian kytkemisestä, koska auringonvalosta tuleva energia kytketään reaktioihin kloroplasteissa, jotta reaktiot voivat avautua. Lopulta kasvi palkitsee globaalin hiilisyklin syntetisoimalla glukoosia ja muita hiiliyhdisteitä, jotka voidaan kytkeä muihin reaktioihin heti tai tulevaisuudessa. Esimerkiksi vehnäkasvit tuottavat tärkkelystä, jota käytetään kaikkialla maailmassa ihmisten ja muiden eläinten tärkeimpänä ravintolähteenä. Mutta kaikkia kasvien tuottamaa glukoosia ei varastoida; osa siitä etenee kasvisolujen eri osiin, joissa glykolyysiin vapautuva energia kytkeytyy lopulta kasvien mitokondrioissa tapahtuviin reaktioihin, jotka johtavat ATP: n muodostumiseen. Vaikka kasvit edustavat ravintoketjun pohjaa ja niitä pidetään laajalti passiivisen energian ja hapen luovuttajina, heillä on omat metaboliset tarpeet, joutuneen kasvamaan suuremmiksi ja lisääntymään kuten muutkin organismit.

Miksi Cant-tilauksia ei tarvitse muuttaa?

Sitä vastoin opiskelijoilla on usein vaikeuksia oppia tasapainottamaan kemiallisia reaktioita, jos niitä ei tarjota tasapainoisessa muodossa. Seurauksena on, että opiskelijaansa houkuttelevat vaihtamaan reaktiossa olevien molekyylien alaindeksien arvot tasapainoisen tuloksen saavuttamiseksi. Tämä sekavuus voi johtua tiedosta, että on sallittua muuttaa molekyylien edessä olevia lukuja reaktioiden tasapainottamiseksi. Minkä tahansa molekyylin alaindeksin muuttaminen muuttaa kyseisen molekyylin kokonaan toiseksi molekyyliksi. Esimerkiksi O: n muuttaminen₂ O: lle₃ ei vain lisää 50 prosenttia enemmän happea massan suhteen; se muuttaa happikaasua otsoniksi, joka ei osallistu tutkittavaan reaktioon etäältä samalla tavalla.