Τι είδους αντίδραση είναι η φωτοσύνθεση;

Περιεχόμενο

• Μια γρήγορη επισκόπηση της φωτοσύνθεσης
• Τι είδους αντίδραση είναι η φωτοσύνθεση;
• Οι δομές της φωτοσύνθεσης
• Ο μηχανισμός της φωτοσύνθεσης
• Είναι η Φωτοσύνθεση Endergonic;
• Οι ελαφριές και σκοτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης
• Τι είναι η σύζευξη ενέργειας;
• Γιατί να αλλάξετε τα δευτερεύοντα σχόλια;

Χωρίς τη σειρά χημικών αντιδράσεων συλλογικά γνωστών ως φωτοσύνθεση, δεν θα ήσαστε εδώ και κανένας άλλος δεν θα γνωρίζετε. Αυτό μπορεί να σας χτυπήσει ως περίεργο ισχυρισμό, αν τυχαίνει να γνωρίζετε ότι η φωτοσύνθεση είναι αποκλειστική για τα φυτά και λίγους μικροοργανισμούς και ότι κανένα κύτταρο στο σώμα σας ή αυτό ενός ζώου δεν έχει τη συσκευή να εκτελεί αυτή την κομψή ποικιλία αντιδράσεις. Τι δίνει;

Απλώς, η ζωή των φυτών και η ζωή των ζώων είναι σχεδόν τέλεια συμβιωτική, πράγμα που σημαίνει ότι ο τρόπος με τον οποίο τα φυτά πληρούν τις μεταβολικές τους ανάγκες είναι υπέρτατο όφελος για τα ζώα και αντίστροφα. Με απλά λόγια, τα ζώα λαμβάνουν αέριο οξυγόνο (Ο₂) για την παραγωγή ενέργειας από μη αέρια πηγές άνθρακα και την έκλυση αερίου διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) και νερό (Η₂O) στη διαδικασία, ενώ τα φυτά χρησιμοποιούν CO₂ και Η₂O για να φτιάξετε φαγητό και να απελευθερώσετε το O₂ στο περιβάλλον. Επιπλέον, περίπου το 87% της παγκόσμιας ενέργειας προέρχεται επί του παρόντος από την καύση ορυκτών καυσίμων, τα οποία τελικά είναι και προϊόντα φωτοσύνθεσης.

Μερικές φορές λέγεται ότι "η φωτοσύνθεση είναι για τα φυτά ό, τι αναπνοή είναι για τα ζώα", αλλά αυτό είναι μια λανθασμένη αναλογία επειδή τα φυτά κάνουν χρήση και των δύο, ενώ τα ζώα χρησιμοποιούν μόνο αναπνοή. Σκεφτείτε τη φωτοσύνθεση ως τον τρόπο με τον οποίο τα φυτά καταναλώνουν και χωνεύουν τον άνθρακα, βασιζόμενοι στο φως και όχι στην μετακίνηση και στην ενέργεια του φαγητού για να βάλουν άνθρακα σε μια μορφή που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα μικροσκοπικά κυψελοειδή μηχανήματα.

Μια γρήγορη επισκόπηση της φωτοσύνθεσης

Η φωτοσύνθεση, παρότι δεν χρησιμοποιείται άμεσα από ένα σημαντικό κλάσμα των ζωντανών πραγμάτων, μπορεί εύλογα να θεωρηθεί ως η μία χημική διαδικασία που είναι υπεύθυνη για την εξασφάλιση της συνεχιζόμενης ύπαρξης ζωής στη Γη. Τα φωτοσυνθετικά κύτταρα λαμβάνουν CO₂ και Η₂O που συγκεντρώνεται από τον οργανισμό από το περιβάλλον και χρησιμοποιεί την ενέργεια από το ηλιακό φως για να τροφοδοτήσει τη σύνθεση της γλυκόζης (C₆H₁₂Ο₆), απελευθερώνοντας το O₂ ως προϊόν αποβλήτων. Αυτή η γλυκόζη στη συνέχεια επεξεργάζεται από διαφορετικά κύτταρα στο φυτό με τον ίδιο τρόπο που η γλυκόζη χρησιμοποιείται από τα ζωικά κύτταρα: Υποβάλλεται σε αναπνοή για να απελευθερώσει ενέργεια με τη μορφή τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) και απελευθερώνει CO₂ ως προϊόν αποβλήτων. (Το φυτοπλαγκτόν και τα κυανοβακτήρια κάνουν επίσης χρήση της φωτοσύνθεσης, αλλά για τους σκοπούς αυτής της συζήτησης, οργανισμοί που περιέχουν φωτοσυνθετικά κύτταρα αναφέρονται γενικά ως "φυτά").

Οι οργανισμοί που χρησιμοποιούν τη φωτοσύνθεση για να φτιάξουν γλυκόζη ονομάζονται αυτοτροφοφόροι, οι οποίοι μεταφράζονται χαλαρά από την ελληνική σε "αυτο-τροφή". Δηλαδή, τα φυτά δεν βασίζονται σε άλλους οργανισμούς άμεσα για φαγητό. Τα ζώα, από την άλλη πλευρά, είναι ετερότροφα ("άλλα τρόφιμα") επειδή πρέπει να καταναλώνουν άνθρακα από άλλες ζώντες πηγές, προκειμένου να αναπτυχθούν και να παραμείνουν ζωντανοί.

Τι είδους αντίδραση είναι η φωτοσύνθεση;

Η φωτοσύνθεση θεωρείται οξειδοαναγωγική αντίδραση. Το Redox είναι σύντομο για τη "μείωση-οξείδωση", το οποίο περιγράφει τι συμβαίνει στο ατομικό επίπεδο στις διάφορες βιοχημικές αντιδράσεις. Ο πλήρης, ισορροπημένος τύπος για τη σειρά αντιδράσεων που ονομάζεται φωτοσύνθεση - τα συστατικά των οποίων θα διερευνηθούν σύντομα - είναι:

6Η₂Ο + φως + 6CO₂ → C₆H₁₂Ο₆ + 6Ο₂

Μπορείτε να ελέγξετε μόνοι σας ότι ο αριθμός κάθε τύπου ατόμου είναι ο ίδιος σε κάθε πλευρά του βέλους: Έξι άτομα άνθρακα, 12 άτομα υδρογόνου και 18 άτομα οξυγόνου.

Η μείωση είναι η απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από ένα άτομο ή ένα μόριο, ενώ η οξείδωση είναι η απόκτηση ηλεκτρονίων. Αντίστοιχα, οι ενώσεις που παράγουν εύκολα ηλεκτρόνια σε άλλες ενώσεις ονομάζονται οξειδωτικοί παράγοντες, ενώ εκείνοι που τείνουν να αποκτήσουν ηλεκτρόνια ονομάζονται αναγωγικοί παράγοντες. Οι επαναλαμβανόμενες αντιδράσεις περιλαμβάνουν συνήθως την προσθήκη υδρογόνου στην μειωμένη ένωση.

Οι δομές της φωτοσύνθεσης

Το πρώτο βήμα στη φωτοσύνθεση μπορεί να συνοψιστεί ως "αφήστε να υπάρξει φως". Το φως του ήλιου χτυπά την επιφάνεια των φυτών, θέτοντας όλη την διαδικασία σε κίνηση. Ίσως ήδη να υποψιάζεστε γιατί πολλά φυτά φαίνονται όπως κάνουν: Μεγάλη έκταση υπό μορφή φύλλων και κλαδιά που τα υποστηρίζουν που φαίνονται άχρηστα (αν και ελκυστικά) αν δεν ξέρετε γιατί αυτοί οι οργανισμοί είναι δομημένοι με αυτόν τον τρόπο. Ο "στόχος" του φυτού είναι να αποκαλύψει όσο το δυνατόν περισσότερο το ηλιακό φως - κάνοντας τα μικρότερα και μικρότερα φυτά σε οποιοδήποτε οικοσύστημα μάλλον σαν τους σκύλους ενός ζωικού απορριμματοφόρου επειδή αγωνίζονται αμφότεροι να αποκτήσουν αρκετή ενέργεια. Τα φύλλα, δεν είναι εκπληκτικά, είναι εξαιρετικά πυκνά στα φωτοσυνθετικά κύτταρα.

Αυτά τα κύτταρα είναι πλούσια σε οργανισμούς που ονομάζονται χλωροπλάστες, όπου γίνεται η εργασία της φωτοσύνθεσης, ακριβώς όπως τα μιτοχόνδρια είναι τα οργανίδια στα οποία συμβαίνει η αναπνοή. Στην πραγματικότητα, οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια είναι δομικά παρόμοια, γεγονός που, όπως σχεδόν όλα στον κόσμο της βιολογίας, μπορεί να ανιχνευθεί στα θαύματα της εξέλιξης.) Οι χλωροπλάστες περιέχουν εξειδικευμένες χρωστικές ουσίες που απορροφούν βέλτιστα την φωτεινή ενέργεια αντί να την αντανακλούν. Αυτό που αντανακλάται παρά απορροφάται, συμβαίνει να είναι σε μια σειρά από μήκη κύματος που ερμηνεύεται από το ανθρώπινο μάτι και τον εγκέφαλο ως ένα συγκεκριμένο χρώμα (υπαινιγμός: Αρχίζει με το "g"). Η κύρια χρωστική που χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό είναι γνωστή ως χλωροφύλλη.

Οι χλωροπλάστες περιβάλλουν μια διπλή μεμβράνη πλάσματος, όπως συμβαίνει με όλα τα ζωντανά κύτταρα καθώς και τα οργανίδια που περιέχουν. Στα φυτά, όμως, μια τρίτη μεμβράνη υπάρχει εσωτερικά στη διπλάσια πλάκα, που ονομάζεται θυλακοειδής μεμβράνη. Αυτή η μεμβράνη διπλώνεται πολύ εκτεταμένα έτσι ώστε οι δίσκοι δομές στοιβάζονται πάνω από το άλλο αποτέλεσμα, όχι σε αντίθεση με ένα πακέτο των νομισμάτων αναπνοής. Αυτές οι δομές θυλακοειδούς περιέχουν χλωροφύλλη. Ο χώρος μεταξύ της εσωτερικής μεμβράνης χλωροπλαστών και της θυλακοειδούς μεμβράνης ονομάζεται στρώμα.

Ο μηχανισμός της φωτοσύνθεσης

Η φωτοσύνθεση χωρίζεται σε ένα σύνολο εξαρτώμενων από το φως και ανεξάρτητες από το φως αντιδράσεις, συνήθως αποκαλούμενες αντιδράσεις φωτός και σκότους και περιγράφονται λεπτομερώς αργότερα. Όπως ίσως έχετε καταλήξει στο συμπέρασμα, οι αντιδράσεις φωτός εμφανίζονται πρώτα.

Όταν το φως από τον ήλιο χτυπά τη χλωροφύλλη και άλλες χρωστικές μέσα στα θυλακοειδή, εκπέμπει ουσιαστικά χαλαρά ηλεκτρόνια και πρωτόνια από τα άτομα σε χλωροφύλλη και τα αυξάνει σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας, καθιστώντας τα πιο ελεύθερα να μεταναστεύσουν. Τα ηλεκτρόνια εκτρέπονται στις αντιδράσεις αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων που εκτυλίσσονται στην ίδια την μεμβράνη θυλακοειδούς. Εδώ, δέκτες ηλεκτρονίων όπως NADP λαμβάνουν μερικά από αυτά τα ηλεκτρόνια, τα οποία χρησιμοποιούνται επίσης για να κατευθύνουν τη σύνθεση του ΑΤΡ. Το ATP είναι ουσιαστικά στα κυψέλη ποια είναι τα δολάρια για το χρηματοπιστωτικό σύστημα των Η.Π.Α .: Είναι το «ενεργειακό νόμισμα» με το οποίο χρησιμοποιούνται ουσιαστικά όλες οι μεταβολικές διεργασίες.

Ενώ αυτό συμβαίνει, τα μόρια χλωροφύλλης κολύμβησης στην ηλιοθεραπεία ξαφνικά βρέθηκαν χωρίς ηλεκτρόνια. Αυτό είναι όπου το νερό εισέρχεται στο ξέφτισμα και συνεισφέρει ηλεκτρόνια αντικατάστασης με τη μορφή υδρογόνου, μειώνοντας έτσι τη χλωροφύλλη. Με το υδρογόνο που εξαφανίστηκε, το νερό που κάποτε ήταν τώρα μοριακό οξυγόνο - Ο₂. Αυτό το οξυγόνο διαχέεται έξω από το κελί και έξω από το εργοστάσιο εξ ολοκλήρου, και μερικά από αυτά κατάφεραν να βρουν το δρόμο τους στους πνεύμονές σας ακριβώς αυτό το δευτερόλεπτο.

Είναι η Φωτοσύνθεση Endergonic;

Η φωτοσύνθεση ονομάζεται ενδερμική αντίδραση επειδή απαιτεί ενέργεια εισόδου για να προχωρήσει. Ο ήλιος είναι η τελική πηγή όλης της ενέργειας στον πλανήτη (γεγονός που ίσως κατανοείται σε κάποιο επίπεδο από τις διάφορες κουλτούρες της αρχαιότητας που έκριναν ότι ο ήλιος είναι η ίδια η θεότητα) και τα φυτά είναι τα πρώτα που το παρακάνουν για παραγωγική χρήση. Χωρίς αυτή την ενέργεια, δεν θα υπήρχε τρόπος για το διοξείδιο του άνθρακα, ένα μικρό, απλό μόριο, να μετατραπεί σε γλυκόζη, ένα πολύ μεγαλύτερο και πιο περίπλοκο μόριο. Φανταστείτε τον εαυτό σας να περπατάτε πάνω σε μια σκάλα με σκάλες, χωρίς να δαπανάτε κάποια ενέργεια, και μπορείτε να δείτε το πρόβλημα που αντιμετωπίζουν τα φυτά.

Σε αριθμητικούς όρους, οι εντεργκονικές αντιδράσεις είναι εκείνες στις οποίες τα προϊόντα έχουν υψηλότερο επίπεδο ενέργειας από ότι τα αντιδραστήρια. Το αντίθετο από αυτές τις αντιδράσεις, ενεργειακά, ονομάζεται εξερνικό, στο οποίο τα προϊόντα έχουν χαμηλότερη ενέργεια από τις αντιδράσεις και έτσι η ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. (Αυτό συχνά γίνεται με τη μορφή θερμότητας - και πάλι, θερμαίνετε ή αναπτύσσεστε πιο κρύο με την άσκηση;) Αυτό εκφράζεται σε όρους ελεύθερης ενέργειας ΔG ° της αντίδρασης, η οποία για τη φωτοσύνθεση είναι +479 kJ ⋅ mol^-1 ή 479 joules ενέργειας ανά mole. Το θετικό σημάδι υποδηλώνει μία ενδοθερμική αντίδραση, ενώ ένα αρνητικό σημάδι υποδηλώνει μια εξωθερμική διαδικασία.

Οι ελαφριές και σκοτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης

Στις αντιδράσεις φωτός, το νερό διασπάται από το ηλιακό φως, ενώ στις σκοτεινές αντιδράσεις, τα πρωτόνια (Η⁺) και ηλεκτρόνια (π.χ.⁻) που απελευθερώνονται στο φως αντιδράσεις χρησιμοποιούνται για τη συναρμολόγηση της γλυκόζης και άλλων υδατανθράκων από CO₂.

Οι αντιδράσεις φωτός δίδονται από τον τύπο:

2Η₂O + φως → O₂ + 4Η⁺ + 4ε⁻(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol⁻¹)

και οι σκοτεινές αντιδράσεις δίνονται από:

CO₂ + 4Η⁺ + 4ε⁻ → CH₂O + Η₂Ο (ΔG ° = + 162 kJ ⋅ mol⁻¹)

Συνολικά, αυτό αποδίδει την πλήρη εξίσωση που αποκαλύφθηκε παραπάνω:

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

Μπορείτε να δείτε ότι και τα δύο σύνολα αντιδράσεων είναι endergonic, το φως αντιδράσεις πιο έντονα.

Τι είναι η σύζευξη ενέργειας;

Η ενεργειακή σύζευξη σε ζωντανά συστήματα σημαίνει ότι χρησιμοποιείτε ενέργεια που διατίθεται από μια διαδικασία για να οδηγήσετε άλλες διαδικασίες που διαφορετικά δεν θα έλαβαν χώρα. Η ίδια η κοινωνία λειτουργεί με αυτό τον τρόπο: οι επιχειρήσεις συχνά πρέπει να δανείζονται μεγάλα χρηματικά ποσά προς τα εμπρός για να αποκολληθούν, αλλά τελικά ορισμένες από αυτές τις επιχειρήσεις γίνονται εξαιρετικά κερδοφόρες και μπορούν να διαθέσουν κεφάλαια για άλλες νεοσύστατες επιχειρήσεις.

Η φωτοσύνθεση αντιπροσωπεύει ένα καλό παράδειγμα ενεργειακής σύζευξης, καθώς η ενέργεια από το φως του ήλιου συνδέεται με αντιδράσεις σε χλωροπλάστες, έτσι ώστε να εκδηλώνονται οι αντιδράσεις. Το εργοστάσιο επιβραβεύει τελικά τον παγκόσμιο κύκλο άνθρακα συνθέτοντας γλυκόζη και άλλες ενώσεις άνθρακα που μπορούν να συνδυαστούν με άλλες αντιδράσεις, αμέσως ή στο μέλλον. Για παράδειγμα, τα φυτά σίτου παράγουν άμυλο, χρησιμοποιούνται παγκοσμίως ως κύρια πηγή τροφών για ανθρώπους και άλλα ζώα. Αλλά δεν αποθηκεύεται όλη η γλυκόζη που παράγεται από τα φυτά. μερικά από αυτά προχωρούν σε διαφορετικά μέρη φυτικών κυττάρων, όπου η ενέργεια που απελευθερώνεται στη γλυκόλυση συνδέεται τελικά με αντιδράσεις στα μιτοχόνδρια των φυτών που έχουν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ΑΤΡ. Ενώ τα φυτά αντιπροσωπεύουν το κατώτατο σημείο της τροφικής αλυσίδας και θεωρούνται ευρέως παθητική ενέργεια και δότες οξυγόνου, έχουν δικές τους μεταβολικές ανάγκες, χρειάζεται να μεγαλώνουν και να αναπαράγονται όπως και άλλοι οργανισμοί.

Γιατί να αλλάξετε τα δευτερεύοντα σχόλια;

Πέραν τούτου, οι σπουδαστές έχουν συχνά πρόβλημα να μάθουν να εξισορροπούν τις χημικές αντιδράσεις εάν δεν παρέχονται σε ισορροπημένη μορφή. Ως αποτέλεσμα, κατά τη διαδοχή τους, οι μαθητές μπορεί να μπουν στον πειρασμό να αλλάξουν τις τιμές των υποδεικτών σε μόρια στην αντίδραση για να επιτύχουν ένα ισορροπημένο αποτέλεσμα. Αυτή η σύγχυση μπορεί να οφείλεται στη γνώση ότι είναι επιτρεπτή η αλλαγή των αριθμών μπροστά από τα μόρια προκειμένου να εξισορροπηθούν οι αντιδράσεις. Η αλλαγή του δείκτη οποιουδήποτε μορίου μετατρέπει αυτό το μόριο σε ένα διαφορετικό μόριο εντελώς. Για παράδειγμα, αλλάζοντας O₂ πολύ₃ δεν προσθέτει μόνο 50 τοις εκατό περισσότερο οξυγόνο όσον αφορά τη μάζα. αλλάζει το αέριο οξυγόνου στο όζον, το οποίο δεν θα συμμετάσχει στην υπό μελέτη αντίδραση με παρόμοιο τρόπο.