Innhold
- En rask oversikt over fotosyntesen
- Hva slags reaksjon er fotosyntesen?
- Strukturer av fotosyntese
- Mekanismen til fotosyntese
- Er fotosyntesen endergonisk?
- De lyse og mørke reaksjonene ved fotosyntese
- Hva er energikobling?
- Hvorfor kan ikke abonnement endres?
Uten serien med kjemiske reaksjoner samlet kjent som fotosyntese, ville du ikke være her, og heller ikke noen andre du kjenner. Dette kan slå deg som en merkelig påstand hvis du tilfeldigvis vet at fotosyntesen er eksklusiv for planter og noen få mikroorganismer, og at ikke en eneste celle i kroppen din eller den til noe dyr har apparatet til å utføre dette elegante utvalget av reaksjoner. Hva gir?
Enkelt sagt er planteliv og dyreliv nesten perfekt symbiotisk, noe som betyr at plantenes måte å oppfylle sine metabolske behov er til stor fordel for dyr og omvendt. På enkleste vilkår tar dyr inn oksygengass (O2) for å hente energi fra ikke-gassformige karbonkilder og skille ut karbondioksidgass (CO2) og vann (H2O) i prosessen, mens planter bruker CO2 og H2O å lage mat og slipp O2 til miljøet. I tillegg er omtrent 87 prosent av verdens energi for tiden for tiden hentet fra forbrenning av fossile brensler, som til slutt også er produkter av fotosyntese.
Noen ganger sies det at "fotosyntese er for planter hva respirasjon er for dyr," men dette er en mangelfull analogi fordi planter benytter seg av begge deler, mens dyr bare bruker respirasjon. Tenk på fotosyntese som måten planter forbruker og fordøyer karbon, og stoler på lys fremfor bevegelse og handlingen om å spise for å sette karbon i en form som bittesmå mobilmaskiner kan bruke.
En rask oversikt over fotosyntesen
Til tross for at den ikke brukes direkte av en betydelig brøkdel av levende ting, kan fotosyntesen med rimelighet sees på som den kjemiske prosessen som er ansvarlig for å sikre den pågående eksistensen av liv på selve jorda. Fotosyntetiske celler tar CO2 og H2O samlet av organismen fra miljøet og bruk energien fra sollys for å drive syntesen av glukose (C6H12O6), slipper O2 som et avfallsprodukt. Denne glukosen blir deretter behandlet av forskjellige celler i planten på samme måte som glukose brukes av dyreceller: Den gjennomgår respirasjon for å frigjøre energi i form av adenosintrifosfat (ATP) og frigjør CO2 som et avfallsprodukt. (Planteplankton og cyanobakterier benytter også fotosyntesen, men for formålene med denne diskusjonen blir organismer som inneholder fotosyntetiske celler generisk referert til som "planter.")
Organismer som bruker fotosyntesen for å lage glukose kalles autotrofer, som oversettes løst fra gresk til "egen mat." Det vil si at planter ikke er avhengige av andre organismer direkte for mat. Dyr er derimot heterotrofer ("annen mat") fordi de må innta karbon fra andre levende kilder for å vokse og forbli i live.
Hva slags reaksjon er fotosyntesen?
Fotosyntese anses som en redoksreaksjon. Redox er en forkortelse for "reduksjon-oksidasjon", som beskriver hva som skjer på atomnivå i de forskjellige biokjemiske reaksjonene. Den komplette, balanserte formelen for serien av reaksjoner som kalles fotosyntese - hvis komponenter vil bli utforsket innen kort tid - er:
6H2O + lys + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
Du kan selv verifisere at antallet for hver type atom er det samme på hver side av pilen: Seks karbonatomer, 12 hydrogenatomer og 18 oksygenatomer.
Reduksjon er fjerning av elektroner fra et atom eller molekyl, mens oksidasjon er økningen av elektroner. Tilsvarende kalles forbindelser som lett gir elektroner til andre forbindelser oksidasjonsmidler, mens de som har en tendens til å få elektroner kalles reduksjonsmidler. Redoksreaksjoner involverer vanligvis at tilsetningen av hydrogen til forbindelsen reduseres.
Strukturer av fotosyntese
Det første trinnet i fotosyntesen kan oppsummeres som "la det være lys." Sollys treffer overflaten til planter og setter hele prosessen i gang. Du har kanskje allerede mistanke om hvorfor mange planter ser ut som de gjør: Mye overflate i form av blader og grenene som støtter dem som virker unødvendige (om enn attraktive) hvis du ikke vet hvorfor disse organismer er strukturert på denne måten. Plantens "mål" er å eksponere så mye av seg selv for sollys som det kan - å gjøre de korteste, minste plantene i et hvilket som helst økosystem, heller som runene til et dyresøppel ved at de begge sliter med å skaffe nok energi. Blad er ikke overraskende ekstremt tette i fotosyntetiske celler.
Disse cellene er rike på organismer som kalles kloroplaster, og det er her arbeidet med fotosyntesen gjøres, akkurat som mitokondrier er organellene der respirasjonen forekommer. Faktisk er kloroplastene og mitokondriene strukturelt ganske like, et faktum at, som praktisk talt alt i biologiens verden, kan spores til evolusjonens vidunder.) Klorplaster inneholder spesialiserte pigmenter som absorberer lysenergi optimalt i stedet for å reflektere den. Det som reflekteres i stedet for å bli absorbert, skjer i en rekke bølgelengder som blir tolket av det menneskelige øye og hjerne som en spesiell farge (hint: Det starter med "g"). Hovedpigmentet som brukes til dette formålet er kjent som klorofyll.
Kloroplastene er omgitt av en dobbel plasmamembran, som tilfellet er for alle levende celler så vel som organellene de inneholder. Hos planter eksisterer imidlertid en tredje membran intern i plasma-laget, kalt en thylakoid-membran. Denne membranen er brettet veldig omfattende slik at ulik struktur som er stablet oppå hverandre, ikke i motsetning til en pakke med pustemynter. Disse thylakoidstrukturene inneholder klorofyll. Rommet mellom den indre kloroplastmembranen og thylakoidmembranen kalles stroma.
Mekanismen til fotosyntese
Fotosyntesen er delt inn i et sett med lysavhengige og lysuavhengige reaksjoner, vanligvis kalt lys og mørke reaksjoner og beskrevet i detalj senere. Som du kanskje har konkludert, oppstår lysreaksjonene først.
Når lys fra solen treffer klorofyll og andre pigmenter inne i thylakoidene, sprenger det i hovedsak løse elektroner og protoner fra atomene i klorofyll og løfter dem til et høyere energinivå, noe som gjør dem friere til å migrere. Elektronene blir ledet inn i elektrontransportkjedereaksjonene som utspiller seg på selve thylakoidmembranen. Her mottar elektronakseptorer som NADP noen av disse elektronene, som også brukes til å drive syntesen av ATP. ATP er i hovedsak for celler hva dollar er for det amerikanske økonomiske systemet: Det er "energivalutaen" som bruker praktisk talt alle metabolske prosesser til slutt.
Mens dette skjer, har de solbadende klorofyllmolekylene plutselig funnet seg korte av elektroner. Det er her vann kommer inn i fronten og bidrar med erstatningselektroner i form av hydrogen, og reduserer dermed klorofylen. Når hydrogenet manglet, er det som en gang var vann molekylært oksygen - O2. Dette oksygenet diffunderer helt ut av cellen og ut av planten, og noe av det har klart å finne veien inn i dine egne lunger på akkurat dette sekundet.
Er fotosyntesen endergonisk?
Fotosyntese kalles en endergonic reaksjon fordi den krever tilførsel av energi for å kunne fortsette. Solen er den ultimate kilden til all energi på planeten (et faktum som kanskje forstås på et eller annet nivå av de forskjellige antikulturene som anså solen som en guddom i seg selv), og planter er de første til å avskjære den for produktiv bruk. Uten denne energien ville det ikke være mulig for karbondioksid, et lite, enkelt molekyl, å bli omdannet til glukose, et betydelig større og mer sammensatt molekyl. Se for deg at du går opp en trapp mens du på en måte ikke bruker noe energi, og du kan se problemet med planter.
I aritmetiske termer er endergonic reaksjoner de der produktene har et høyere energinivå enn reaktantene gjør. Det motsatte av disse reaksjonene, energisk sett, kalles eksergoniske, der produktene har lavere energi enn reaksjonene og energien frigjøres derved under reaksjonen. (Dette er ofte i form av varme - igjen, blir du varmere eller blir du kaldere med trening?) Dette kommer til uttrykk i form av den frie energien ΔG ° av reaksjonen, som for fotosyntesen er +479 kJ ⋅ mol-1 eller 479 joule energi per mol. Det positive tegnet indikerer en endoterm reaksjon, mens et negativt tegn indikerer en eksoterm prosess.
De lyse og mørke reaksjonene ved fotosyntese
I lysreaksjonene brytes vann fra hverandre av sollys, mens i de mørke reaksjonene er protonene (H+) og elektroner (f.eks−) frigjort i lysreaksjonene brukes til å samle glukose og andre karbohydrater fra CO2.
Lysreaksjonene er gitt med formelen:
2H2O + lys → O2 + 4H+ + 4e−(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol−1)
og de mørke reaksjonene er gitt av:
CO2 + 4H+ + 4e− → CH2O + H2O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol−1)
Totalt sett gir dette den komplette ligningen avslørt over:
H2O + lys + CO2 → CH2O + O2(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol−1)
Du kan se at begge reaksjonene er endergonic, lysreaksjonene kraftigere.
Hva er energikobling?
Energikobling i levende systemer betyr å bruke energi som er gjort tilgjengelig fra en prosess for å drive andre prosesser som ellers ikke ville finne sted. Samfunnet selv fungerer på denne måten: Bedrifter må ofte låne store summer for å komme av bakken, men til slutt blir noen av disse virksomhetene svært lønnsomme og kan stille midler til rådighet for andre oppstartsbedrifter.
Fotosyntese representerer et godt eksempel på energikobling, ettersom energi fra sollys kobles til reaksjoner i kloroplastene slik at reaksjonene kan utfolde seg. Planten belønner etter hvert den globale karbonsyklusen ved å syntetisere glukose og andre karbonforbindelser som kan kobles til andre reaksjoner, umiddelbart eller i fremtiden. For eksempel produserer hveteplanter stivelse, brukt over hele verden som en viktigste kilde til mat for mennesker og andre dyr. Men ikke all glukose laget av planter lagres; noe av det fortsetter til forskjellige deler av planteceller, der energien som frigjøres i glykolyse til slutt kobles til reaksjoner i plantens mitokondrier som resulterer i dannelse av ATP. Mens planter representerer bunnen av næringskjeden og blir mye sett på som passiv energi og oksygendonorer, har de imidlertid metabolske behov, og må vokse seg større og reprodusere seg akkurat som andre organismer.
Hvorfor kan ikke abonnement endres?
Som en side, har studentene ofte problemer med å lære å balansere kjemiske reaksjoner hvis disse ikke blir gitt i balansert form. Som et resultat av studentene kan de bli fristet til å endre verdiene til underskriptene i molekyler i reaksjonen for å oppnå et balansert resultat. Denne forvirringen kan stamme fra å vite at det er tillatt å endre tallene foran molekylene for å balansere reaksjoner. Endring av abonnementet på et hvilket som helst molekyl gjør at molekylet blir til et annet molekyl. For eksempel å endre O2 til O3 tilfører ikke bare 50 prosent mer oksygen i forhold til masse; den endrer oksygengass til ozon, som ikke ville delta i reaksjonen som ble undersøkt på en lignende måte.