Kakva je vrsta reakcije fotosinteza?

Sadržaj

• Brzi pregled fotosinteze
• Koja je vrsta reakcije fotosinteza?
• Strukture fotosinteze
• Mehanizam fotosinteze
• Je li fotosinteza endergonska?
• Svjetlosne i tamne reakcije fotosinteze
• Što je spajanje energije?
• Zašto se pretplate mogu mijenjati?

Bez niza kemijskih reakcija kolektivno poznatih kao fotosinteza, ne biste bili ovdje, a niti bilo tko drugi koga poznajete. Ovo bi vas moglo smatrati neobičnom tvrdnjom ako znate da je fotosinteza isključivo za biljke i nekoliko mikroorganizama i da niti jedna stanica u vašem tijelu niti jedna životinja nema aparat za izvođenje ovog elegantnog asortimana reakcije. Što daje?

Jednostavno rečeno, biljni i životinjski svijet gotovo su simbiotički, što znači da način na koji biljke ispunjavaju svoje metaboličke potrebe ima najviše koristi za životinje i obrnuto. Najjednostavnije rečeno, životinje uzimaju kisik (O)₂) za dobivanje energije iz neplinastih izvora ugljika i izlučivanje plina ugljičnog dioksida (CO₂) i vode (H₂O) u procesu, dok biljke koriste CO₂ i H₂O napraviti hranu i pustiti O₂ u okoliš. Pored toga, oko 87 posto svjetske energije trenutno se dobiva izgaranjem fosilnih goriva, koja su u konačnici i proizvodi fotosinteze.

Ponekad se kaže da je „fotosinteza biljkama ono što je životinjama disanje“, ali ovo je pogrešna analogija, jer biljke koriste oboje, dok životinje koriste samo disanje. Zamislite fotosintezu kao način na koji biljke troše i probavljaju ugljik, oslanjajući se na svjetlost, a ne na kretanje i čin jedenja kako bi ugljik stavili u oblik koji maleni mobilni strojevi mogu koristiti.

Brzi pregled fotosinteze

Fotosinteza se, iako se značajan dio živih bića ne koristi izravno, može razumno posmatrati kao kemijski proces koji je odgovoran za osiguravanje stalnog postojanja života na samoj Zemlji. Fotosintetske stanice uzimaju CO₂ i H₂O koje organizam prikuplja iz okoliša i koristi energiju sunčeve svjetlosti za pokretanje sinteze glukoze (C₆H₁₂O₆), oslobađajući O₂ kao otpadni proizvod. Zatim ovu glukozu prerađuju različite stanice u biljci na isti način kao što životinjske stanice koriste glukozu: ona prolazi disanje radi oslobađanja energije u obliku adenosin trifosfata (ATP) i oslobađa CO₂ kao otpadni proizvod. (Fitoplankton i cijanobakterije također koriste fotosintezu, ali u svrhu ove rasprave organizmi koji sadrže fotosintetske stanice generički se nazivaju "biljkama.")

Organizmi koji koriste fotosintezu za stvaranje glukoze nazivaju se autotrofi, što s grčkog na slobodi znači "samohrana". Odnosno, biljke se ne oslanjaju na druge organizme izravno za hranu. Životinje su, s druge strane, heterotrofi ("druga hrana"), jer moraju unositi ugljik iz drugih živih izvora kako bi rasle i ostale žive.

Koja je vrsta reakcije fotosinteza?

Fotosinteza se smatra redoks reakcijom. Redox je kratki za "redukcijsku-oksidaciju", koji opisuje što se događa na atomskoj razini u različitim biokemijskim reakcijama. Kompletna, uravnotežena formula za niz reakcija zvanih fotosinteza - čije će se komponente uskoro istražiti - glasi:

6H₂O + svjetlost + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Možete sami provjeriti da je broj svake vrste atoma isti na svakoj strani strelice: Šest atoma ugljika, 12 atoma vodika i 18 atoma kisika.

Redukcija je uklanjanje elektrona iz atoma ili molekule, dok je oksidacija dobivanje elektrona. Shodno tome, spojevi koji lako daju elektrone drugim spojevima nazivaju se oksidanti, dok oni koji imaju tendenciju dobivanja elektrona nazivaju se redukcijskim tvarima. Reakcije Redoxa obično uključuju dodavanje vodika u spoju koji se smanjuje.

Strukture fotosinteze

Prvi korak u fotosintezi mogao bi se sažeti kao "neka bude svjetla". Sunčeva svjetlost udara po površini biljaka, pokrećući cijeli proces. Možda već sumnjate zašto mnoge biljke izgledaju onako kako rade: Veliki dio površine u obliku lišća i grana koje ih podržavaju, što izgleda nepotrebno (iako privlačno) ako ne znate zašto su ovi organizmi ovako strukturirani. "Cilj" biljke je izložiti što više sebe sunčevoj svjetlosti - što je najkraće, najmanje biljke u bilo kojem ekosustavu, a ne poput staja životinjskog legla, jer se obojica bore za dobivanje dovoljno energije. Listovi, ne čudi, izuzetno su gusti u fotosintetskim stanicama.

Te stanice su bogate organizmima zvanim kloroplasti, gdje se vrši rad fotosinteze, baš kao što su mitohondrije organele u kojima dolazi do disanja. U stvari, kloroplasti i mitohondriji su strukturno vrlo slični, činjenica da se, poput gotovo svega u svijetu biologije, može pratiti do čuda evolucije.) Kloroplasti sadrže specijalizirane pigmente koji optimalno apsorbiraju svjetlosnu energiju, a ne odražavaju je. Ono što se reflektira, a ne apsorbira, događa se u rasponu valnih duljina koje ljudsko oko i mozak tumače kao posebnu boju (nagovještaj: Počinje sa "g"). Glavni pigment koji se koristi u tu svrhu poznat je kao klorofil.

Kloroplasti su okruženi dvostrukom plazma membranom, kao što je slučaj sa svim živim stanicama, kao i organelama koje sadrže. U biljkama, međutim, postoji treća membrana unutar sloja plazme, koja se naziva tilakoidna membrana. Ova se membrana savija vrlo široko, tako da se nalik diskografskim strukturama slože jedna na drugu, a ne za razliku od paketa čarapa za dah. Ove strukture tilakoida sadrže klorofil. Prostor između unutarnje membrane kloroplasta i tilakoidne membrane naziva se stromom.

Mehanizam fotosinteze

Fotosinteza je podijeljena na skup reakcija ovisnih o svjetlu i svjetlu, obično nazivanih reakcija svjetla i mraka i detaljno opisanih kasnije. Kao što ste možda zaključili, svjetlosne reakcije se javljaju najprije.

Kad sunčeva svjetlost pogodi klorofil i druge pigmente unutar tilakoida, ona u osnovi razbacuje labave elektrone i protone iz atoma u klorofilu i podiže ih na višu energetsku razinu, čineći ih slobodnijima za migraciju. Elektroni se preusmjeravaju u reakcije lanca prijenosa elektrona koje se odvijaju na samoj tilakoidnoj membrani. Ovdje akceptori elektrona poput NADP primaju neke od ovih elektrona koji se koriste i za pokretanje sinteze ATP-a. ATP je u osnovi ćelijama koliki su dolari američkom financijskom sustavu: to je "energetska valuta" kojom se u konačnici provode gotovo svi metabolički procesi.

Dok se to događa, molekule klorofila, okupljene suncem, odjednom su imale premalo elektrona. Tu voda ulazi u braon i doprinosi zamjenskim elektronima u obliku vodika, smanjujući klorofil. Kad mu je nestao vodik, ono što je nekada bila voda, sada je molekularni kisik - O₂, Taj kisik difuzno izlazi iz stanice i iz biljke u potpunosti, a neki od njih uspio je pronaći upravo u ovoj sekundi svoja pluća.

Je li fotosinteza endergonska?

Fotosinteza se naziva endergonska reakcija jer joj je potreban unos energije da bi se nastavilo. Sunce je krajnji izvor cjelokupne energije na planeti (činjenica koja je možda na nekoj razini shvaćena od strane različitih kultura antike koja je smatrala sunce vlastitim božanstvom) i biljke su prve koje su ga presrele radi proizvodne upotrebe. Bez te energije ne bi bilo moguće da se ugljični dioksid, mala, jednostavna molekula, pretvori u glukozu, znatno veću i složeniju molekulu. Zamislite da se penjete stepenicama dok nekako ne trošite nikakvu energiju i možete vidjeti problem s kojim se biljke suočavaju.

U aritmetičkom smislu, endergonske reakcije su one u kojima proizvodi imaju višu razinu energije od reaktanata. Suprotno ovim reakcijama, energetski gledano, nazivamo ekstrogoničnim, u kojima proizvodi imaju nižu energiju od reakcija i energija se na taj način oslobađa tijekom reakcije. (To je često u obliku vrućine - opet, postajete li topliji ili postajete hladniji tijekom vježbanja?) To se izražava u slobodnoj energiji ΔG ° reakcije, koja za fotosintezu iznosi +479 kJ ⋅ mol^-1 ili 479 joula energije po molu. Pozitivni znak ukazuje na endotermičku reakciju, dok negativni znak egzotermički proces.

Svjetlosne i tamne reakcije fotosinteze

U svjetlosnim reakcijama voda se razdvaja sunčevom svjetlošću, dok u mračnim reakcijama protoni (H⁺) i elektrona (e⁻) oslobođeni u svjetlosnim reakcijama koriste se za skupljanje glukoze i drugih ugljikohidrata iz CO₂.

Svjetlosne reakcije su date formulom:

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

a mračne reakcije daju:

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

Sve u svemu, to je kompletna jednadžba otkrivena gore:

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

Možete vidjeti da su oba skupa reakcija endergonična, tako da su svjetlosne reakcije snažnije.

Što je spajanje energije?

Spajanje energije u živim sustavima znači korištenje energije koja je dostupna iz jednog procesa za pokretanje drugih procesa koji se inače ne bi dogodili. Društvo na neki način funkcionira na ovaj način: Poduzeća često moraju pozajmljivati ​​velike iznose novca kako bi se srušila s tla, ali u konačnici neke od tih tvrtki postaju vrlo profitabilne i mogu dati sredstva dostupnim drugim start-up tvrtkama.

Fotosinteza predstavlja dobar primjer spajanja energije jer se energija sunčeve svjetlosti povezuje s reakcijama u kloroplastima kako bi se reakcije mogle odvijati. Biljka na kraju nagrađuje globalni ciklus ugljika sintetiziranjem glukoze i drugih ugljikovih spojeva koji se mogu povezati s drugim reakcijama, odmah ili u budućnosti. Na primjer, biljke pšenice proizvode škrob, koji se širom svijeta koristio kao glavni izvor hrane za ljude i druge životinje. Ali nije pohranjena sva glukoza koju biljke proizvode; dio se odvija u različitim dijelovima biljnih stanica, gdje se energija oslobođena glikolizom u konačnici povezuje s reakcijama u biljnim mitohondrijama koje rezultiraju stvaranjem ATP-a. Iako biljke predstavljaju dno lanca hrane i na njih se široko gleda kao na davatelje pasivne energije i kisika, one imaju svoje metaboličke potrebe, pa moraju rasti i razmnožavati se poput ostalih organizama.

Zašto se pretplate mogu mijenjati?

Pored toga, učenici često imaju poteškoća sa učenjem uravnoteženja kemijskih reakcija ako se one ne daju u uravnoteženom obliku. Kao rezultat, studenti mogu iskušati promjene vrijednosti pretplatničkih molekula u reakciji kako bi postigli uravnoteženi rezultat. Ova zbrka može proizlaziti iz saznanja da je dopušteno mijenjati brojeve ispred molekula kako bi se uravnotežile reakcije. Promjena pretiska bilo koje molekule pretvara tu molekulu u drugu molekulu uopšte. Na primjer, promjena O₂ isto₃ ne dodaje samo 50 posto više kisika u odnosu na masu; ona mijenja plin kisika u ozon koji na daljinski sličan način ne bi sudjelovao u ispitivanoj reakciji.