Съдържание
- Бърз преглед на фотосинтезата
- Какъв тип реакция е фотосинтезата?
- Структурите на фотосинтезата
- Механизмът на фотосинтезата
- Фотосинтезата Ендергонична ли е?
- Светлите и тъмните реакции на фотосинтезата
- Какво е свързване на енергия?
- Защо не може да се променят абонаментите на Cant?
Без поредицата от химически реакции, известни като фотосинтеза, вие нямаше да сте тук и нито един друг, когото познавате. Това може да ви се стори като странно твърдение, ако случайно знаете, че фотосинтезата е изключително за растенията и няколко микроорганизма и че нито една клетка в тялото ви, нито тази на което и да е животно, разполага с апаратурата за извършване на този елегантен асортимент от реакции. Какво дава?
Казано по-просто, растителният живот и животът на животните са почти идеално симбиотични, което означава, че пътят, по който растенията вървят към задоволяване на метаболитните си нужди, е от изключително значение за животните и обратно. Най-просто казано, животните приемат кислороден газ (О2) за получаване на енергия от не газообразни въглеродни източници и отделяне на въглероден диоксид (CO2) и вода (H2О) в процеса, докато растенията използват СО2 и Н2О, за да приготвите храна и освободете О2 към околната среда. В допълнение, около 87 процента от световната енергия в момента се извлича от изгарянето на изкопаеми горива, които в крайна сметка са и продукти на фотосинтеза.
Понякога се казва, че „фотосинтезата е за растенията какво е дишането на животните“, но това е недостатъчна аналогия, тъй като растенията използват и двете, докато животните използват само дишане. Помислете за фотосинтезата като начина, по който растенията консумират и усвояват въглерод, разчитайки на светлината, а не на локомоцията и акта на хранене, за да поставите въглерод във форма, която мъничките клетъчни машини могат да използват.
Бърз преглед на фотосинтезата
Фотосинтезата, въпреки че не се използва директно от значителна част от живите същества, може разумно да се разглежда като един химичен процес, отговорен за осигуряването на продължаващото съществуване на живота на самата Земя. Фотосинтетичните клетки приемат СО2 и Н2O, събрани от организма от околната среда и използват енергията от слънчевата светлина, за да захранват синтеза на глюкоза (С6Н12О6), освобождавайки O2 като отпадъчен продукт. След това тази глюкоза се обработва от различни клетки в растението по същия начин, глюкозата се използва от животинските клетки: Тя претърпява дишане, за да освободи енергия под формата на аденозин трифосфат (АТФ) и освобождава СО2 като отпадъчен продукт. (Фитопланктонът и цианобактериите също използват фотосинтеза, но за целите на тази дискусия организмите, съдържащи фотосинтетични клетки, се наричат общо като „растения.“)
Организмите, които използват фотосинтеза за производството на глюкоза, се наричат автотрофи, което се превежда свободно от гръцки на „самостоятелна храна“. Тоест, растенията не разчитат на други организми директно за храна. От друга страна, животните са хетеротрофи ("друга храна"), защото те трябва да поглъщат въглерод от други живи източници, за да растат и да останат живи.
Какъв тип реакция е фотосинтезата?
Фотосинтезата се счита за редокс реакция. Redox е кратък за „редукция-окисляване“, който описва какво се случва на атомно ниво при различните биохимични реакции. Пълната, балансирана формула за поредицата от реакции, наречена фотосинтеза - компонентите на която ще бъдат изследвани скоро - е:
6Н2O + светлина + 6CO2 → C6Н12О6 + 6O2
Можете сами да проверите дали броят на всеки тип атом е еднакъв от всяка страна на стрелката: Шест въглеродни атома, 12 водородни атома и 18 кислородни атома.
Редукцията е отстраняване на електрони от атом или молекула, докато окисляването е натрупването на електрони. Съответно, съединения, които лесно дават електрони на други съединения, се наричат окислители, докато тези, които са склонни да получават електрони, се наричат редуциращи агенти. Редокс реакциите обикновено включват добавяне на водород към съединението, което се редуцира.
Структурите на фотосинтезата
Първата стъпка във фотосинтезата може да се обобщи като "нека има светлина". Слънчевата светлина удря повърхността на растенията, като настройва целия процес в движение. Вече може да подозирате защо много растения изглеждат така, както правят: Голяма част от повърхността под формата на листа и клоните, които ги поддържат, което изглежда ненужно (макар и привлекателно), ако не знаете защо тези организми са структурирани по този начин. „Целта“ на растението е да излага колкото може повече от себе си на слънчева светлина - да направи най-късите, най-малки растения във всяка екосистема, а не като тиражите на животински отпадъци, тъй като и двамата се борят да получат достатъчно енергия. Листата, не е изненадващо, са изключително гъсти във фотосинтетичните клетки.
Тези клетки са богати на организми, наречени хлоропласти, където се извършва работата на фотосинтезата, точно както митохондриите са органелите, в които се случва дишането. Всъщност хлоропластите и митохондриите са структурно доста сходни, факт, който подобно на практически всичко в света на биологията може да бъде проследен до чудесата на еволюцията. Хлоропластите съдържат специализирани пигменти, които оптимално абсорбират светлината енергия, а не я отразяват. Това, което е отразено, а не погълнато, се намира в диапазон от дължини на вълните, който се тълкува от човешкото око и мозък като определен цвят (намек: Започва с "g"). Основният пигмент, използван за тази цел, е известен като хлорофил.
Хлоропластите са заобиколени от двойна плазмена мембрана, както е при всички живи клетки, както и органелите, които съдържат. В растенията обаче съществува трета мембрана вътрешна към плазмения двуслоен, наречена тилакоидна мембрана. Тази мембрана е сгъната много обширно, така че дисковидните структури, подредени един върху друг, дават резултат, не за разлика от пакет дишащи монетни дворове. Тези тилакоидни структури съдържат хлорофил. Пространството между вътрешната мембрана на хлоропласта и тилакоидната мембрана се нарича строма.
Механизмът на фотосинтезата
Фотосинтезата се разделя на набор от светлозависими и светлинно независими реакции, обикновено наричани светлинни и тъмни реакции и подробно описани по-късно. Както може би сте заключили, светлинните реакции се проявяват първо.
Когато светлината от слънцето удари хлорофила и други пигменти вътре в тилакоидите, той по същество взривява разхлабените електрони и протони от атомите в хлорофила и ги издига до по-високо енергийно ниво, правейки ги по-свободни да мигрират. Електроните се пренасочват към реакциите на транспортна верига на електроните, които се развиват върху самата тилакоидна мембрана. Тук акцепторите на електрони като NADP получават някои от тези електрони, които също се използват за задвижване на синтеза на АТФ. ATP е по същество за клетките какви са доларите за американската финансова система: Това е „енергийната валута“, използваща практически всички метаболитни процеси в крайна сметка.
Докато това се случва, хлорофилните молекули на слънцето се къпят внезапно с недостиг на електрони. Това е мястото, където водата влиза в битката и допринася заместващи електрони под формата на водород, като по този начин намалява хлорофила. С липсата на водород това, което някога е било вода, сега е молекулен кислород - О2, Този кислород дифундира изцяло извън клетката и извън растението, а някои от тях успяха да намерят път в собствените си бели дробове точно в тази секунда.
Фотосинтезата Ендергонична ли е?
Фотосинтезата се нарича ендергонична реакция, тъй като за да продължи процеса, е необходим вход на енергия. Слънцето е най-добрият източник на цялата енергия на планетата (факт, може би разбран на някакво ниво от различните култури от древността, които считат слънцето за божество от само себе си) и растенията са първите, които го прихващат за продуктивна употреба. Без тази енергия нямаше как въглеродният диоксид, малка, проста молекула, да се превърне в глюкоза, значително по-голяма и сложна молекула. Представете си как вървите по стълби, докато по някакъв начин не изразходвате никаква енергия и можете да видите проблема, с който се сблъскват растенията.
В аритметично отношение ендергоничните реакции са тези, при които продуктите имат по-високо енергийно ниво от реагентите. Обратно на тези реакции, енергийно казано, се наричат ергонични, при които продуктите имат по-ниска енергия от реакциите и по този начин енергията се освобождава по време на реакцията. (Това често е под формата на топлина - отново става ли по-топло или ставате по-студени с упражнения?) Това се изразява като свободна енергия ΔG ° на реакцията, която за фотосинтеза е +479 kJ ⋅ mol-1 или 479 джаула енергия на мол. Положителният знак показва ендотермична реакция, докато отрицателният знак показва екзотермичен процес.
Светлите и тъмните реакции на фотосинтезата
При светлинните реакции водата се разгражда от слънчевата светлина, докато при тъмните реакции - протоните (Н+) и електрони (напр−) освободените в светлината реакции се използват за събиране на глюкоза и други въглехидрати от СО2.
Светлинните реакции са дадени по формулата:
2H2O + светлина → O2 + 4Н+ + 4е−(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol−1)
и тъмните реакции се дават от:
CO2 + 4Н+ + 4е− → CH2O + H2O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol−1)
Като цяло това дава пълното уравнение, разкрито по-горе:
Н2O + светлина + CO2 → CH2О + О2(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol−1)
Можете да видите, че и двата набора от реакции са ендергонични, светлинните реакции са по-силно.
Какво е свързване на енергия?
Енергийното свързване в живите системи означава използване на енергия, предоставена от един процес за задвижване на други процеси, които в противен случай няма да се осъществят. Обществото само по себе си работи по този начин: Предприятията често трябва да заемат големи суми пари отпред, за да слязат от земята, но в крайна сметка някои от тези бизнеси стават много печеливши и могат да предоставят средства за други стартиращи компании.
Фотосинтезата представлява добър пример за свързване на енергия, тъй като енергията от слънчевата светлина се свързва с реакциите в хлоропластите, така че реакциите да се развият. В крайна сметка растението възнаграждава глобалния въглероден цикъл, като синтезира глюкоза и други въглеродни съединения, които могат да бъдат свързани с други реакции, незабавно или в бъдеще. Например пшеничните растения произвеждат нишесте, използвано по целия свят като основен източник на храни за хора и други животни. Но не цялата глюкоза, произведена от растенията, се съхранява; част от него протича в различни части на растителните клетки, където освободената при гликолиза енергия в крайна сметка се свързва с реакции в митохондриите на растенията, които водят до образуване на АТФ. Докато растенията представляват дъното на хранителната верига и се възприемат широко като пасивни донори на енергия и кислород, те имат собствени метаболитни нужди, които трябва да растат по-големи и да се възпроизвеждат подобно на други организми.
Защо не може да се променят абонаментите на Cant?
Като страна, студентите често имат проблеми с обучението за балансиране на химичните реакции, ако те не са осигурени в балансирана форма. В резултат на това по време на размиването си учениците могат да бъдат изкушени да променят стойностите на абонатите в молекулите в реакцията, за да постигнат балансиран резултат. Това объркване може да произтича от знанието, че е допустимо да се променят числата пред молекулите, за да се балансират реакциите. Промяната на индекса на всяка молекула превръща тази молекула в различна молекула. Например, смяна на O2 до О3 не само добавя 50 процента повече кислород по отношение на масата; тя променя кислороден газ в озон, който не би участвал в изследваната реакция по подобен начин.