Без ряда химических реакций, известных под общим названием фотосинтеза, вас бы здесь не было, и никого, кого бы вы не знали. Это может показаться вам странным утверждением, если вы узнаете, что фотосинтез исключительно для растений и нескольких микроорганизмов, и что ни одна клетка в вашем теле или клетке какого-либо животного не имеет аппарата для выполнения этого элегантного ассортимента. реакции. Что дает?

Проще говоря, жизнь растений и жизнь животных почти идеально симбиотичны, а это означает, что способ, которым растения выполняют свои метаболические потребности, имеет высшую пользу для животных и наоборот. Проще говоря, животные потребляют газообразный кислород (O2) для получения энергии из негазообразных источников углерода и выделяют в процессе газообразный углекислый газ (CO2) и воду (H2O), в то время как растения используют CO2 и H2O для приготовления пищи и выделения O2. в окружающую среду. Кроме того, около 87 процентов мировой энергии в настоящее время получают от сжигания ископаемого топлива, которое в конечном итоге также является продуктом фотосинтеза.

Иногда говорят, что «фотосинтез для растений - то же, что дыхание для животных», но это ошибочная аналогия, потому что растения используют и то и другое, в то время как животные используют только дыхание. Думайте о фотосинтезе как о способе, которым растения потребляют и усваивают углерод, полагаясь на свет, а не на передвижение, так и на еду, превращая углерод в форму, которую могут использовать крошечные клеточные машины.

Краткий обзор фотосинтеза

Фотосинтез, несмотря на то, что он не используется напрямую значительной частью живых существ, можно разумно рассматривать как один химический процесс, ответственный за обеспечение непрерывного существования жизни на самой Земле. Фотосинтетические клетки берут CO2 и H2O, собранные организмом из окружающей среды, и используют энергию солнечного света для питания синтеза глюкозы (C6H12O6), выделяя O2 в качестве отходов. Эта глюкоза затем обрабатывается различными клетками растения таким же образом, как глюкоза используется клетками животных: она подвергается дыханию для выделения энергии в виде аденозинтрифосфата (АТФ) и выделяет CO2 в качестве отходов. (Фитопланктон и цианобактерии также используют фотосинтез, но для целей этого обсуждения организмы, содержащие фотосинтетические клетки, в общем упоминаются как «растения».)

Организмы, которые используют фотосинтез для производства глюкозы, называются автотрофами, что в переводе с греческого означает «самостоятельная пища». То есть растения не зависят напрямую от других организмов в пище. Животные, с другой стороны, являются гетеротрофами («другой пищей»), потому что они должны поглощать углерод из других живых источников, чтобы расти и оставаться живыми.
Какой тип реакции является фотосинтезом?

Фотосинтез считается окислительно-восстановительной реакцией. Редокс означает сокращение «окисление-восстановление», которое описывает, что происходит на атомном уровне в различных биохимических реакциях. Полная сбалансированная формула для серии реакций, называемых фотосинтезом, компоненты которых будут вскоре рассмотрены, состоит в следующем:

6H2O + свет + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2

Вы можете убедиться, что число атомов каждого типа одинаково на каждой стороне стрелки: шесть атомов углерода, 12 атомов водорода и 18 атомов кислорода.

Восстановление - это удаление электронов из атома или молекулы, а окисление - это получение электронов. Соответственно, соединения, которые легко отдают электроны другим соединениям, называются окислителями, а соединения, которые стремятся получить электроны, называются восстановителями. Окислительно-восстановительные реакции обычно включают добавление водорода к восстанавливаемому соединению.

Структуры фотосинтеза

Первый шаг в фотосинтезе можно описать как «да будет свет». Солнечный свет падает на поверхность растений, приводя в движение весь процесс. Вы можете уже подозревать, почему многие растения выглядят так, как они: большая площадь поверхности в виде листьев и поддерживающих их ветвей, которая кажется ненужной (хотя и привлекательной), если вы не знаете, почему эти организмы структурированы таким образом , «Цель» растения - подвергать солнечному свету как можно большую часть себя - превращая самые короткие и самые мелкие растения в любой экосистеме, скорее, как в клочья подстилки для животных, так как они оба изо всех сил пытаются получить достаточно энергии. Не удивительно, что листья чрезвычайно плотны в фотосинтезирующих клетках.

Эти клетки богаты микроорганизмами, называемыми хлоропластами, где и происходит работа фотосинтеза, точно так же, как митохондрии являются органеллами, в которых происходит дыхание. Фактически, хлоропласты и митохондрии структурно очень похожи, и этот факт, как и практически все в мире биологии, можно проследить до чудес эволюции.) Хлоропласты содержат специализированные пигменты, которые оптимально поглощают световую энергию, а не отражают ее. То, что отражается, а не поглощается, оказывается в диапазоне длин волн, который интерпретируется человеческим глазом и мозгом как определенный цвет (подсказка: начинается с «g»). Основной пигмент, используемый для этой цели, известен как хлорофилл.

Хлоропласты окружены двойной плазматической мембраной, как в случае со всеми живыми клетками, а также с органеллами, которые они содержат. У растений, однако, существует третья мембрана внутри плазменного бислоя, называемая тилакоидной мембраной. Эта мембрана складывается очень широко, так что дискообразные структуры, сложенные друг на друге, дают результат, похожий на пакет дыхательных мят. Эти тилакоидные структуры содержат хлорофилл. Пространство между внутренней мембраной хлоропласта и тилакоидной мембраной называется стромой.

Механизм фотосинтеза

Фотосинтез делится на ряд светозависимых и светозависимых реакций, обычно называемых светом и темновыми реакциями и подробно описанных позже. Как вы, возможно, пришли к выводу, светлые реакции возникают первыми.

Когда солнечный свет попадает на хлорофилл и другие пигменты внутри тилакоидов, он по существу выбрасывает свободные электроны и протоны из атомов в хлорофилле и поднимает их на более высокий энергетический уровень, делая их более свободными для миграции. Электроны направляются в цепные реакции переноса электронов, которые разворачиваются на самой тилакоидной мембране. Здесь акцепторы электронов, такие как НАДФ, получают некоторые из этих электронов, которые также используются для управления синтезом АТФ. По сути, АТФ для клеток - это то же самое, что доллары для финансовой системы США: это «энергетическая валюта», с помощью которой в конечном итоге осуществляются практически все метаболические процессы.

В то время как это происходит, солнечные молекулы хлорофилла внезапно оказались лишенными электронов. Именно здесь вода попадает в бой и вносит замещающие электроны в виде водорода, тем самым восстанавливая хлорофилл. Когда пропал водород, то, что когда-то было водой, теперь является молекулярным кислородом - O2. Этот кислород полностью диффундирует из клетки и растения, и некоторые из них сумели проникнуть в ваши легкие именно в эту секунду.

Является ли фотосинтез эндергоническим?

Фотосинтез называют эндергонической реакцией, потому что для его продолжения требуется ввод энергии. Солнце является конечным источником всей энергии на планете (факт, возможно, понятный на некотором уровне различными культурами древности, которые считают солнце божеством само по себе), и растения первыми перехватывают его для продуктивного использования. Без этой энергии не было бы возможности превратить двуокись углерода, маленькую простую молекулу, в глюкозу, значительно большую и более сложную молекулу. Представьте, что вы идете по лестнице, как-то не расходуя энергию, и вы можете увидеть проблему, с которой сталкиваются растения.

В арифметических терминах эндергонические реакции - это реакции, в которых продукты имеют более высокий уровень энергии, чем реагенты. Противоположные этим реакциям, с энергетической точки зрения, называются эксергоническими, в которых продукты имеют меньшую энергию, чем реакции, и, таким образом, энергия высвобождается во время реакции. (Это часто происходит в форме тепла - опять же, вы становитесь теплее или становитесь холоднее с помощью упражнений?) Это выражается через свободную энергию ΔG ° реакции, которая для фотосинтеза составляет +479 кДж ⋅ моль- 1 или 479 джоулей энергии на моль. Положительный знак указывает на эндотермическую реакцию, а отрицательный знак указывает на экзотермический процесс.

Светлые и темные реакции фотосинтеза

В световых реакциях вода разрушается солнечным светом, в то время как в темных реакциях протоны (H +) и электроны (e-), высвобождаемые в световых реакциях, используются для сбора глюкозы и других углеводов из CO2.

Световые реакции задаются формулой:

2H2O + свет → O2 + 4H + + 4e− (ΔG ° = +317 кДж ⋅ моль − 1)

и темные реакции определяются как:

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

В целом, это дает полное уравнение, показанное выше:

H2O + свет + CO2 → CH2O + O2 (ΔG ° = +479 кДж ⋅ моль − 1)

Вы можете видеть, что оба набора реакций являются эндергоническими, светлые реакции сильнее.

Что такое энергетическая связь?

Энергетическая связь в живых системах означает использование энергии, получаемой из одного процесса, для управления другими процессами, которые в противном случае не имели бы места. Общество само по себе работает таким образом: предприятиям часто приходится занимать большие суммы денег, чтобы начать дело, но в конечном итоге некоторые из этих предприятий становятся высокоприбыльными и могут предоставить средства другим начинающим компаниям.

Фотосинтез представляет собой хороший пример сочетания энергии, так как энергия солнечного света связана с реакциями в хлоропластах, так что реакции могут разворачиваться. Растение в конечном итоге вознаграждает глобальный углеродный цикл, синтезируя глюкозу и другие углеродные соединения, которые могут быть связаны с другими реакциями, немедленно или в будущем. Например, растения пшеницы производят крахмал, используемый во всем мире в качестве основного источника пищи для людей и других животных. Но не вся глюкоза, вырабатываемая растениями, сохраняется; некоторые из них поступают в разные части растительных клеток, где энергия, выделяемая при гликолизе, в конечном итоге связана с реакциями в митохондриях растений, которые приводят к образованию АТФ. В то время как растения представляют собой дно пищевой цепи и широко рассматриваются как пассивные доноры энергии и кислорода, у них действительно есть собственные метаболические потребности, они должны расти больше и размножаться, как и другие организмы.

Почему подписки не могут быть изменены?

Кроме того, у студентов часто возникают проблемы с обучением уравновешивать химические реакции, если они не представлены в сбалансированной форме. В результате, в процессе работы ученики могут испытывать искушение изменить значения индексов в молекулах в реакции, чтобы достичь сбалансированного результата. Эта путаница может быть вызвана знанием того, что допустимо изменять числа перед молекулами, чтобы сбалансировать реакции. Изменение индекса любой молекулы превращает эту молекулу в совершенно другую молекулу. Например, замена O2 на O3 не просто добавляет на 50 процентов больше кислорода в пересчете на массу; он превращает газообразный кислород в озон, который не будет участвовать в изучаемой реакции отдаленным образом.