Каква врста реакције је фотосинтеза?

Садржај

• Кратки преглед фотосинтезе
• Која врста реакције је фотосинтеза?
• Структуре фотосинтезе
• Механизам фотосинтезе
• Да ли је фотосинтеза ендергонска?
• Светла и тамна реакција фотосинтезе
• Шта је спајање енергије?
• Зашто се мењају претплате?

Без низа хемијских реакција колективно познатих као фотосинтеза, не бисте били овде, а ни други не бисте знали. Ово би вам могло изгледати као необична тврдња ако знате да је фотосинтеза искључиво за биљке и неколико микроорганизама и да ниједна ћелија у вашем телу или било која животиња нема апарат за извођење овог елегантног асортимана реакције. Што даје?

Једноставно речено, живот биљака и животиње готово су симбиотички, што значи да начин на који биљке испуњавају своје метаболичке потребе има највише користи за животиње и обрнуто. Најједноставније речено, животиње узимају кисеоник (О)₂) да добијају енергију из не гасовитих извора угљеника и излучују гас угљен-диоксид (ЦО₂) и воде (Х₂О) у процесу, док биљке користе ЦО₂ и Х₂О да направим храну и ослободите О₂ у животну средину. Поред тога, око 87 процената светске енергије тренутно се добија изгоревањем фосилних горива, која су у коначници и производи фотосинтезе.

Понекад се каже да је „фотосинтеза биљкама шта је дисање животињама“, али ово је погрешна аналогија, јер биљке користе обоје, док животиње користе само дисање. Замислите фотосинтезу као начин на који биљке троше и варе угљен, ослањајући се на светлост, а не на кретање и чин једења да би угљеник ставили у облик који малене ћелијске машине могу да користе.

Кратки преглед фотосинтезе

Фотосинтеза се, иако се значајан део живих бића не користи директно, може разумно посматрати као један хемијски процес који је одговоран за осигуравање постојања живота на самој Земљи. Фотосинтетске ћелије узимају ЦО₂ и Х₂О које организам сакупља из околине и користи енергију сунчеве светлости да би покренуо синтезу глукозе (Ц₆Х₁₂О₆), ослобађајући О₂ као отпадни производ. Затим ову глукозу прерађују различите ћелије у биљци, на исти начин како глукоза користи животињске ћелије: Она пролази дисање ради ослобађања енергије у облику аденосин трифосфата (АТП) и ослобађа ЦО₂ као отпадни производ. (Фитопланктон и цијанобактерије такође користе фотосинтезу, али у сврху ове дискусије организми који садрже фотосинтетске ћелије генерално се називају „биљкама.“)

Организми који користе фотосинтезу за прављење глукозе називају се аутотрофи, што с грчког на преводу лабаво значи "самохрана". Односно, биљке се не ослањају на друге организме директно за храну. Животиње су, с друге стране, хетеротрофи ("друга храна"), јер морају уносити угљен из других живих извора како би расле и остале живе.

Која врста реакције је фотосинтеза?

Фотосинтеза се сматра редокс реакцијом. Редок је кратак за „редукциону-оксидацију“, који описује шта се дешава на атомском нивоу у различитим биохемијским реакцијама. Комплетна, избалансирана формула за низ реакција званих фотосинтеза - чије ће се компоненте ускоро истражити - је:

6Х₂О + светло + 6ЦО₂ → Ц₆Х₁₂О₆ + 6О₂

Можете сами да проверите да је број сваке врсте атома исти 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 оксиданти, док она која имају тенденцију добијања електрона називају се редукциона средства. Реакције Редока обично укључују додавање водоника у једињењу које се смањује.

Структуре фотосинтезе

Први корак у фотосинтези могао би се сажети као "нека буде светлости". Сунчева светлост удара по површини биљака, покрећући цео процес у покрету. Већ можете посумњати зашто многе биљке изгледају онако како изгледају: Велики део површине у облику лишћа и грана које их подржавају, што изгледа непотребно (иако привлачно) ако не знате зашто су ови организми овако изграђени. "Циљ" биљке је да изложи што више себе сунчевој светлости - чинећи најкраће, најмање биљке у било којем екосистему, а не попут стаја животињског легла, јер се обоје труде да добију довољно енергије. Листови, не чуди, изузетно су густи у фотосинтетским ћелијама.

Ове ћелије су богате организмима званим хлоропласти, где се врши рад фотосинтезе, баш као што су митохондрије органеле у којима долази до дисања. У ствари, хлоропласти и митохондрије су по структури прилично слични, чињеница да се, као и практично све у биолошком свету, може пратити до чуда еволуције.) Хлоропласти садрже специјализоване пигменте који оптимално апсорбују светлосну енергију, а не одразу. Оно што се рефлектује, а не апсорбује, налази се у распону таласних дужина које људско око и мозак тумаче као посебну боју (наговештај: Почиње са „г“). Главни пигмент који се користи у ту сврху познат је као хлорофил.

Хлоропласти су окружени двоструком плазма мембраном, као што је случај са свим живим ћелијама као и органелама које садрже. У биљкама, међутим, постоји трећа мембрана унутар плазме двослоја, која се назива тилакоидна мембрана. Ова мембрана је пресавијена врло опсежно, тако да се налик дисплеју сложене једна на другу остварују, за разлику од пакета минских даха. Ове структуре тилакоида садрже хлорофил. Простор између унутрашње мембране хлоропласта и тилакоидне мембране назива се строма.

Механизам фотосинтезе

Фотосинтеза је подељена на скуп реакција које зависе од светла и светлости, које се обично називају светла и тамна реакција и које су детаљно описане касније. Као што сте можда закључили, реакције на светлост се јављају најпре.

Кад сунчева светлост погоди хлорофил и друге пигменте унутар тилакоида, он у основи експлодира лабаве електроне и протоне из атома у хлорофилу и подиже их на виши енергетски ниво, чинећи их слободнијим за миграцију. Електрони су преусмерени у реакције ланца преноса електрона које се одвијају на самој тилакоидној мембрани. Овде електро-акцептори као што је НАДП примају неке од ових електрона који се такође користе за покретање синтезе АТП-а. АТП је у основи ћелијама колики су долари америчком финансијском систему: то је „енергетска валута“ којом се на крају готово сви метаболички процеси обављају.

Док се то дешава, молекули хлорофила, купајућих на сунцу, изненада су се нашли мало од електрона. Овде вода улази у браон и доприноси замени електрона у облику водоника, смањујући на тај начин хлорофил. Кад му је водоник нестао, оно што је некада била вода, сада је молекулски кисеоник - О₂. Овај кисеоник дифузно излази из ћелије и из биљке у потпуности, а неки од њих је успео да нађе свој пут у своја плућа управо у овој секунди.

Да ли је фотосинтеза ендергонска?

Фотосинтеза се назива ендергонска реакција, јер јој је потребан унос енергије да би се наставило. Сунце је крајњи извор све енергије на планети (чињеница коју су на неком нивоу можда разумеле различите културе антике која је сматрала сунце божанством сама по себи) и биљке су прве које су га пресреле ради производне употребе. Без те енергије не би било могуће да се угљени диоксид, мали, једноставан молекул, претвори у глукозу, знатно већи и сложенији молекул. Замислите себе како корачате степеницама док некако не трошите никакву енергију и можете видети проблем са којим се суочавају биљке.

У аритметичком смислу, ендергонске реакције су оне у којима производи имају већи енергетски ниво него реактанти. Супротно овим реакцијама, енергетски гледано, се називају екстрогоничне, у којима производи имају нижу енергију од реакција и енергија се на тај начин ослобађа током реакције. (То је често у облику врућине - опет, постајете ли топлији или постајете хладнији током вежбања?) То се изражава у слободној енергији ΔГ ° реакције, која за фотосинтезу износи +479 кЈ ⋅ мол^-1 или 479 јоула енергије по молу. Позитивни знак указује на ендотермичку реакцију, док негативни знак егзотермички процес.

Светла и тамна реакција фотосинтезе

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

Светлосне реакције су дате формулом:

2Х₂О + светло → О₂ + 4Х⁺ + 4е⁻(ΔГ ° = +317 кЈ ⋅ мол⁻¹)

а мрачне реакције дају:

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

Све у свему, ово је комплетна једнаџба која је откривена горе:

Х₂О + светло + ЦО₂ → ЦХ₂О + О₂(ΔГ ° = +479 кЈ ⋅ мол⁻¹)

Можете видети да су оба скупа реакција ендергонична, тако да су светлосне реакције снажније.

Шта је спајање енергије?

Спајање енергије у живим системима значи коришћење енергије која је доступна из једног процеса за покретање других процеса који се иначе не би одвијали. Друштво на неки начин функционише на овај начин: предузећа често морају да позајмљују велике суме новца да би се спустила са земље, али на крају неки од тих предузећа постају веома профитабилни и могу да ставе средства на располагање за друге почетне компаније.

Фотосинтеза представља добар пример спајања енергије, јер се енергија сунчеве светлости повезује са реакцијама у хлоропластима како би се реакције могле одвијати. Биљка на крају награђује глобални угљенични циклус синтетишујући глукозу и друга једињења угљеника која могу бити спојена са другим реакцијама, одмах или у будућности. На пример, биљке пшенице производе скроб, који се широм света користио као главни извор хране за људе и друге животиње. Али није сачувана сва глукоза коју биљке производе; неки део прелази у различите делове биљних ћелија, где се енергија ослобођена гликолизом у коначници повезује са реакцијама у митохондријама биљака које резултирају стварањем АТП-а. Иако биљке представљају дно ланца исхране и на њих се широко гледа као на даваче пасивне енергије и кисеоника, оне имају своје метаболичке потребе, па морају расти и размножавати се попут других организама.

Зашто се мењају претплате?

Поред тога, студенти често имају проблема са учењем балансирања хемијских реакција, ако оне нису обезбеђене у уравнотеженом облику. Као резултат, студенти могу у искушењу да промене вредности претплатничких молекула у реакцији како би постигли уравнотежени резултат. Ова конфузија може произаћи из сазнања да је дозвољено мењати бројеве испред молекула како би се уравнотежиле реакције. Променом претписа било којег молекула, молекул се претвара у сасвим други молекул. На пример, промена О₂ такође₃ не додаје само 50 процената више кисеоника у смислу масе; она мења гас кисеоник у озон, који не би учествовао у истраживаној реакцији на сличан начин.