Milline reaktsioon on fotosüntees?

Sisu

• Fotosünteesi kiire ülevaade
• Millist tüüpi reaktsioon on fotosüntees?
• Fotosünteesi struktuurid
• Fotosünteesi mehhanism
• Kas fotosüntees on endergonic?
• Fotosünteesi valguse ja pimeduse reaktsioonid
• Mis on energia ühendamine?
• Miks ei saa Cant-tellijaid muuta?

Ilma keemiliste reaktsioonide seeriata, mida ühiselt tuntakse kui fotosünteesi, poleks te siin ega keegi teine, keda te tunnete. See võib osutuda veider väideks, kui te teate, et fotosüntees toimub ainult taimede ja mõne mikroorganismi jaoks ning et mitte ühelgi teie keha või ühegi looma rakul pole aparaati selle elegantse tootevaliku teostamiseks reaktsioonid. Mida annab?

Lihtsustatult öeldes on taime- ja loomade elu peaaegu ideaalselt sümbiootilised, mis tähendab, et taimede metaboolsete vajaduste rahuldamise viis on loomadele ülimalt kasulik ja vastupidi. Kõige lihtsamalt öeldes võtavad loomad sisse hapniku (O₂) energia saamiseks mittegaasilistest süsinikuallikatest ja süsihappegaasi (CO₂) ja vesi (H₂O) protsessis, samal ajal kui taimed kasutavad CO-d₂ ja H₂O teha toitu ja vabastada O₂ keskkonnale. Lisaks saadakse umbes 87 protsenti maailma energiast praegu fossiilsete kütuste põletamisel, mis on lõppkokkuvõttes ka fotosünteesi produktid.

Mõnikord öeldakse, et "fotosüntees on taimedele see, mida hingamine tähendab loomadele", kuid see on vigane analoogia, kuna taimed kasutavad mõlemat, loomad aga ainult hingamist. Mõelge fotosünteesile kui taimede süsiniku tarbimise ja seedimise viisile, tuginedes pigem valgust kui liikumisele ja söömisele, et panna süsinik sellisesse vormi, mida pisikesed rakulised masinad saaksid kasutada.

Fotosünteesi kiire ülevaade

Hoolimata sellest, et märkimisväärne osa elusaid asju seda otseselt ei kasuta, võib fotosünteesi mõistlikult vaadelda kui ühte keemilist protsessi, mis vastutab Maa enda elu jätkuva olemasolu tagamise eest. Fotosünteetilised rakud võtavad CO₂ ja H₂O, mille organism on keskkonnast kogunud ja kasutab päikesevalgusest saadavat energiat glükoosi (C₆H₁₂O₆), vabastades O₂ jäätmetena. Seejärel töödeldakse seda glükoosi taime erinevates rakkudes samal viisil, nagu loomarakud kasutavad glükoosi: see läbib hingamise, et vabastada energiat adenosiintrifosfaadi (ATP) kujul ja vabastab CO₂ jäätmetena. (Fütoplankton ja tsüanobakterid kasutavad ka fotosünteesi, kuid selle arutelu eesmärkidel nimetatakse fotosünteesirakke sisaldavaid organisme üldiselt "taimedeks".)

Organisme, mis kasutavad glükoosi tootmiseks fotosünteesi, nimetatakse autotroofideks, mis tõlgib kreeka keelest lõdvalt "omatoitu". See tähendab, et taimed ei sõltu toidust otseselt teiste organismide suhtes. Loomad on seevastu heterotroofid ("muu toit"), kuna nad peavad kasvama ja elus püsima sööma teistest elusallikatest pärit süsinikku.

Millist tüüpi reaktsioon on fotosüntees?

Fotosünteesi peetakse redoksreaktsiooniks. Redox on lühike termin "redutseerimine-oksüdatsioon", mis kirjeldab seda, mis erinevates biokeemilistes reaktsioonides toimub aatomi tasemel. Fotosünteesiks kutsutavate reaktsioonide rea täielik ja tasakaalustatud valem - mille komponente uuritakse varsti - on:

6H₂O + valgus + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Võite ise kontrollida, kas igat tüüpi aatomite arv on noole mõlemal küljel sama: kuus süsinikuaatomit, 12 vesinikuaatomit ja 18 hapnikuaatomit.

Redutseerimine on elektronide eemaldamine aatomist või molekulist, oksüdatsioon aga elektronide saamine. Niisiis, ühendeid, mis annavad teistele ühenditele kergesti elektrone, nimetatakse oksüdeerivateks aineteks, samas kui neid, mis kipuvad elektrone omandama, nimetatakse redutseerijateks. Redoksi reaktsioonid hõlmavad redutseeritavale ühendile tavaliselt vesiniku lisamist.

Fotosünteesi struktuurid

Fotosünteesi esimese sammu võib kokku võtta järgmiselt: "laske olla valgust". Päikesevalgus lööb taimede pinnale, pannes kogu protsessi liikuma. Võite juba kahtlustada, miks paljud taimed näevad välja sellised, nagu nad on: Suur osa pindalast lehtede ja neid toetavate okste kujul, mis näib olevat ebavajalik (ehkki atraktiivne), kui te ei tea, miks need organismid on selliselt üles ehitatud. Taime "eesmärk" on paljastada võimalikult palju päikesevalgust - muutes mis tahes ökosüsteemi kõige lühemateks ja väikseimateks taimedeks pigem loomade pesakonna rütmid, kuna mõlemad näevad vaeva, et saada piisavalt energiat. Pole üllatav, et lehed on fotosünteesirakkudes eriti tihedad.

Need rakud on rikkad organismides, mida nimetatakse kloroplastideks, kus toimub ka fotosünteesi töö, just nagu mitokondrid on organellid, milles toimub hingamine. Tegelikult on kloroplastid ja mitokondrid struktuurilt üsna sarnased, tõsiasi, et sarnaselt praktiliselt kõigega bioloogilises maailmas on võimalik jälgida evolutsiooni imelisi kohti.) Kloroplastid sisaldavad spetsialiseeritud pigmente, mis neelavad optimaalselt valguse energiat, mitte ei peegelda seda. See, mis peegeldub, mitte imendub, jääb lainepikkuste vahemikku, mida inimese silm ja aju tõlgendavad konkreetse värvina (vihje: see algab tähega "g"). Peamine pigment, mida sel eesmärgil kasutatakse, on tuntud kui klorofüll.

Kloroplastid on ümbritsetud kahekordse plasmamembraaniga, nagu kõigi elusrakkude ja ka nendes sisalduvate organellide puhul. Taimedes eksisteerib plasma kaksikkihi sees aga kolmas membraan, mida nimetatakse tülakoidmembraaniks. See membraan on volditud väga laiali, nii et üksteise otsa virnastatud struktuurid annavad tulemuse, erinevalt hingetõmbepaki pakendist. Need tülakoidsed struktuurid sisaldavad klorofülli. Sisemise kloroplasti membraani ja tülakoidse membraani vahelist ruumi nimetatakse stroomaks.

Fotosünteesi mehhanism

Fotosüntees jaguneb valgust sõltuvate ja valgust sõltumatute reaktsioonide kogumiks, mida tavaliselt nimetatakse valguse ja pimeduse reaktsioonideks ja mida kirjeldatakse üksikasjalikumalt hiljem. Nagu olete võinud järeldada, toimuvad kõigepealt valguse reaktsioonid.

Kui päikesevalgus lööb klorofülli ja muid pigmente tülakoidide sees, lööb see klorofülli aatomitest lahti elektronid ja prootonid ning tõstab need kõrgemale energiatasandile, muutes need rändatavamaks. Elektronid suunatakse elektronide transpordiahela reaktsioonidesse, mis toimuvad tülakoidmembraanil endal. Siin võtavad elektronide aktsepteerijad nagu NADP osa neist elektronidest, mida kasutatakse ka ATP sünteesi juhtimiseks. ATP on peamiselt rakkude jaoks see, mis dollarid on USA finantssüsteemile: See on "energiavaluuta", mille abil viiakse lõpuks läbi kõik metaboolsed protsessid.

Kuni see toimub, on päikese käes suplevad klorofülli molekulid ühtäkki leidnud oma elektrone. Vesi siseneb sellesse ja tekitab vesiniku kujul asenduselektrone, vähendades seeläbi klorofülli. Kuna vesinik oli kadunud, on vesi, mis kunagi oli, molekulaarne hapnik - O₂. See hapnik hajub rakust ja täielikult taimest välja ja osa sellest on suutnud just teie teisel hetkel leida tee teie kopsudesse.

Kas fotosüntees on endergonic?

Fotosünteesi nimetatakse endergooniliseks reaktsiooniks, kuna selle toimimiseks on vaja energiat. Päike on kogu planeedil oleva energia ülim allikas (fakti, mida mõistab mingil tasandil antiikkultuuride erinevad kultuurid, mis pidasid päikest omaette jumaluseks) ja taimed on esimesed, kes selle produktiivseks kasutamiseks kinni peavad. Ilma selle energiata poleks võimalust süsinikdioksiidiks, väikeseks lihtsaks molekuliks, mis muunduks glükoosiks, märkimisväärselt suuremaks ja keerukamaks molekuliks. Kujutage ette, kuidas kõnnite trepist üles, samal ajal kui te ei kuluta üldse energiat, ja näete probleemi, millega taimed kokku puutuvad.

Aritmeetiliselt on endergonic reaktsioonid need, milles toodetel on kõrgem energiatase kui reagentidel. Nende reaktsioonide vastandit nimetatakse energeetiliselt eksergooniliseks, milles toodetel on madalam energia kui reaktsioonidel ja seeläbi vabaneb energia reaktsiooni käigus. (See toimub sageli kuumuse vormis - jällegi, kas muutute soojemaks või muutub treenimisega külmemaks?) Seda väljendatakse reaktsiooni vaba energia ΔG ° -ga, mis fotosünteesi jaoks on +479 kJ ⋅ mol^-1 või 479 džauli energiat mooli kohta. Positiivne märk tähistab endotermilist reaktsiooni, negatiivne märk aga eksotermilist protsessi.

Fotosünteesi valguse ja pimeduse reaktsioonid

Kergetes reaktsioonides puruneb vesi päikesevalguse toimel, pimedates reaktsioonides prootonid (H⁺) ja elektronid (nt⁻) kergetes reaktsioonides vabanenud kasutatakse glükoosi ja muude süsivesikute kogumiseks CO-st₂.

Kerged reaktsioonid on esitatud järgmise valemiga:

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

ja tumedad reaktsioonid annavad:

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

Üldiselt annab see kogu ülaltoodud võrrandi:

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

Näete, et mõlemad reaktsioonide komplektid on endergonic, kergete reaktsioonide tugevamalt.

Mis on energia ühendamine?

Energia ühendamine elavates süsteemides tähendab ühest protsessist saadava energia kasutamist teiste protsesside juhtimiseks, mis muidu ei toimuks. Ühiskond ise töötab sel viisil: ettevõtted peavad tihtipeale laenata suuri rahasummasid, et saada algust, kuid lõppkokkuvõttes muutuvad mõned neist ettevõtetest väga kasumlikuks ja saavad raha teistele alustavatele ettevõtetele kättesaadavaks teha.

Fotosüntees on hea näide energia sidumisest, kuna päikesevalgusest saadav energia on seotud reaktsioonidega kloroplastides, nii et reaktsioonid saaksid lahti kulgeda. Taim tasub lõpuks globaalset süsinikutsüklit, sünteesides glükoosi ja muid süsinikuühendeid, mida saab kohe või tulevikus siduda muude reaktsioonidega. Näiteks toodavad nisutaimed tärklist, mida kasutatakse kogu maailmas inimestele ja teistele loomadele peamise toiduna. Kuid mitte kogu taimede toodetud glükoosi ei ladustata; osa sellest suundub taimerakkude erinevatesse osadesse, kus glükolüüsi käigus vabanev energia ühendatakse lõpuks taimede mitokondrites toimuvate reaktsioonidega, mille tulemuseks on ATP. Ehkki taimed esindavad toiduahela põhja ja neid peetakse laialdaselt passiivse energia ja hapniku doonoriteks, on neil siiski oma metaboolsed vajadused - nad peavad kasvama suuremaks ja paljunema nagu teised organismid.

Miks ei saa Cant-tellijaid muuta?

Lisaks on õpilastel sageli raskusi keemiliste reaktsioonide tasakaalustamise õppimisega, kui neid ei pakuta tasakaalustatud kujul. Selle tulemusel võib õpilastel tekkida kiusatus muuta reaktsioonis olevate molekulide alaindeksite väärtusi tasakaalustatud tulemuse saavutamiseks. See segadus võib tuleneda teadmisest, et reaktsioonide tasakaalustamiseks on lubatud molekulide ees olevaid numbreid muuta. Mis tahes molekuli alaindeksi muutmine muudab selle molekuli täielikult erinevaks molekuliks. Näiteks O muutmine₂ ka₃ ei lisa massi järgi ainult 50 protsenti rohkem hapnikku; see muudab hapniku gaasi osooniks, mis ei osale uuritavas reaktsioonis kaugelt sarnasel viisil.