Який вид реакції є фотосинтезом?

Зміст

• Короткий огляд фотосинтезу
• Який тип реакції є фотосинтезом?
• Структури фотосинтезу
• Механізм фотосинтезу
• Чи є фотосинтез ендергонічним?
• Світлі та темні реакції фотосинтезу
• Що таке з’єднання енергії?
• Чому підписки на ліцензію можна змінити?

Без низки хімічних реакцій, спільно відомих як фотосинтез, ви б не були тут, і ніхто з тих, кого ви знаєте. Це може спричинити вас як дивну заяву, якщо ви випадково знаєте, що фотосинтез є винятковим для рослин та кількох мікроорганізмів, і що жодна клітина у вашому тілі або будь-яка тварина не має апарату для виконання цього елегантного асортименту реакції. Що дає?

Простіше кажучи, рослинне життя та життя тварин майже ідеально симбіотичні, це означає, що шлях, який ідуть рослини для задоволення своїх метаболічних потреб, має вигоду для тварин і навпаки. Найпростіше кажучи, тварини приймають кисневий газ (О₂) отримувати енергію з негазових джерел вуглецю і виділяти вуглекислий газ (СО)₂) і вода (Н₂O) у процесі, тоді як рослини використовують СО₂ і Н₂O, щоб приготувати їжу і випустити O₂ до навколишнього середовища. Крім того, близько 87 відсотків енергії у світі в даний час отримується від спалювання викопних палив, які в кінцевому рахунку також є продуктами фотосинтезу.

Іноді говорять, що "фотосинтез - це рослини, що таке дихання тваринам", але це хибна аналогія, оскільки рослини використовують і те, і інше, а тварини використовують лише дихання. Подумайте про фотосинтез як про те, як рослини споживають і засвоюють вуглець, покладаючись на світло, а не на рух, а також на прийом їжі, щоб ввести вуглець у форму, яку можуть використовувати маленькі стільникові машини.

Короткий огляд фотосинтезу

Фотосинтез, незважаючи на те, що значну частину живих істот не використовує безпосередньо, можна розумно розглядати як єдиний хімічний процес, відповідальний за забезпечення постійного існування життя на самій Землі. Фотосинтетичні клітини приймають СО₂ і Н₂O, зібрані організмом з навколишнього середовища і використовують енергію сонячного світла для живлення синтезу глюкози (С₆Н₁₂О₆), звільняючи О₂ як відходи. Потім ця глюкоза обробляється різними клітинами рослини так само, як глюкоза використовується клітинами тварин: вона піддається диханню, щоб звільнити енергію у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ) і вивільняє СО₂ як відходи. (Фітопланктон та ціанобактерії також використовують фотосинтез, але для цілей цієї дискусії організми, що містять фотосинтетичні клітини, загалом називають "рослинами".)

Організми, які використовують фотосинтез для отримання глюкози, називаються автотрофами, що з грецької мови перекладається «самовиробництвом». Тобто рослини не покладаються на інші організми безпосередньо для їжі. Тварини, з іншого боку, є гетеротрофами ("іншою їжею"), оскільки їм доведеться поглинати вуглець з інших живих джерел, щоб рости і залишатися живими.

Який тип реакції є фотосинтезом?

Фотосинтез вважається окислювально-відновлювальною реакцією. Redox є коротким для "відновлення-окислення", в якому описано, що відбувається на атомному рівні в різних біохімічних реакціях. Повна, збалансована формула для серії реакцій під назвою фотосинтез - компоненти якого будуть вивчені найближчим часом - така:

6Н₂O + світло + 6CO₂ → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Ви можете переконатися, що кількість кожного типу атома однакова з кожної сторони стрілки: Шість атомів вуглецю, 12 атомів водню та 18 атомів кисню.

Редукція - це видалення електронів з атома чи молекули, тоді як окислення - це набирання електронів. Відповідно, сполуки, які легко дають електрони іншим сполукам, називаються окислювачами, тоді як ті, що мають тенденцію до отримання електронів, називаються відновниками. Реакції редоксу зазвичай передбачають додавання водню до сполуки, що знижується.

Структури фотосинтезу

Перший крок у фотосинтезі можна підсумувати як "нехай буде світло". Сонячне світло вражає поверхню рослин, приводячи в рух весь процес. Ви вже можете підозрювати, чому багато рослин виглядають так, як вони роблять: Велика площа поверхні у вигляді листя та гілок, які підтримують їх, що здається непотрібним (хоч і привабливим), якщо ви не знаєте, чому ці організми структуровані таким чином. "Мета" рослини полягає в тому, щоб якомога більше піддавати себе сонячному світлу - зробити найкоротші, найменші рослини в будь-якій екосистемі, а не схожі на посмішки тваринного посліду, оскільки вони обидва борються за отримання достатньої кількості енергії. Листя, не дивно, надзвичайно щільне у фотосинтетичних клітинах.

Ці клітини багаті організмами, які називаються хлоропластами, саме там і відбувається робота з фотосинтезом, подібно до того, як мітохондрії є органелами, в яких відбувається дихання. Насправді, хлоропласти та мітохондрії за структурою досить схожі, факт, що, як і практично все у світі біології, можна простежити за дивом еволюції.) Хлоропласти містять спеціалізовані пігменти, які оптимально поглинають енергію світла, а не відбивають її. Те, що відображається, а не поглинається, трапляється в діапазоні довжин хвиль, що трактується людським оком і мозку як певний колір (натяк: Починається з «г»). Основний пігмент, що використовується для цієї мети, відомий як хлорофіл.

Хлоропласти оточені подвійною плазматичною мембраною, як це стосується всіх живих клітин, а також органел, які вони містять. Однак у рослин існує третя мембрана, яка є внутрішньою плазмовим двошаровим шаром, називається тилакоїдної мембраною. Ця мембрана складена дуже широко, так що дископодібні структури, що складаються один на одного, отримують результат, не на відміну від пакета дихальних монетних дворів. Ці тилакоїдні структури містять хлорофіл. Простір між внутрішньою мембраною хлоропласта і тилакоїдної мембраною називається стромою.

Механізм фотосинтезу

Фотосинтез поділяється на сукупність світлозалежних і світлонезалежних реакцій, зазвичай їх називають світлою і темною реакціями і детально описані пізніше. Як ви могли зробити висновок, світлові реакції виникають спочатку.

Коли світло від сонця вражає хлорофіл та інші пігменти всередині тилакоїдів, він, по суті, вибухає в хлорофілі вільні електрони та протони з атомів і піднімає їх до більш високого рівня енергії, роблячи їх вільнішими для міграції. Електрони переводяться в ланцюгові реакції переносу електронів, які розгортаються на самій тилакоїдної мембрані. Тут акцептори електронів, такі як NADP, отримують частину цих електронів, які також використовуються для приводу синтезу АТФ. АТФ по суті є клітинами, які долари належать фінансовій системі США: це "енергетична валюта", за допомогою якої практично всі метаболічні процеси в кінцевому рахунку здійснюються.

Поки це відбувається, молекули хлорофілу, що купається на сонці, раптом виявились недостатніми для електронів. Тут вода потрапляє в бійку і сприяє заміщенню електронів у вигляді водню, зменшуючи тим самим хлорофіл. Коли його водень пропав, те, що колись вода, зараз є молекулярним киснем - O₂. Цей кисень дифундує з клітини та поза рослини цілком, і деякі з них зуміли знайти саме цю секунду у власні легені.

Чи є фотосинтез ендергонічним?

Фотосинтез називають ендергонічною реакцією, тому що він потребує введення енергії для продовження. Сонце - найвище джерело всієї енергії на планеті (факт, можливо, зрозумілий на якомусь рівні різними культурами античності, який вважав сонце божеством сам по собі), і рослини першими перехоплюють його для продуктивного використання. Без цієї енергії не було б можливості перетворити вуглекислий газ, невелику просту молекулу, в глюкозу, значно більшу і складну молекулу. Уявіть себе, як піднімаєтесь сходами під час сходинки, поки не витрачаєте жодної енергії, і ви можете побачити проблему, з якою стикаються рослини.

З точки зору арифметики, ендергонічні реакції - це ті, у яких продукти мають більш високий рівень енергії, ніж реагенти. Протилежні цим реакціям, енергетично кажучи, називаються ексергонічними, в яких продукти мають меншу енергію, ніж реакції, і енергія тим самим вивільняється під час реакції. (Це часто відбувається у вигляді тепла - знову ж, вам стає тепліше чи вам стає холодніше при фізичних вправах?) Це виражається у вільній енергії ΔG ° реакції, яка для фотосинтезу становить +479 кДж ⋅ моль^-1 або 479 джоулів енергії на моль. Позитивний знак вказує на ендотермічну реакцію, а негативний - на екзотермічний процес.

Світлі та темні реакції фотосинтезу

У світлих реакціях вода розбивається сонячним світлом, тоді як у темних реакціях протони (Н⁺) та електронів (е⁻) Вивільнені у світлі реакції використовуються для збирання глюкози та інших вуглеводів з СО₂.

Світлові реакції задаються формулою:

2Н₂O + світло → O₂ + 4Н⁺ + 4е⁻(ΔG ° = +317 кДж ⋅ моль⁻¹)

а темні реакції задаються:

СО₂ + 4Н⁺ + 4е⁻ → СН₂O + H₂O (ΔG ° = +162 кДж ⋅ моль⁻¹)

В цілому це дає повне рівняння, виявлене вище:

Н₂O + світло + CO₂ → СН₂О + О₂(ΔG ° = +479 кДж ⋅ моль⁻¹)

Ви можете бачити, що обидва набори реакцій є ендергонічними, світлові реакції сильніше.

Що таке з’єднання енергії?

Сполучення енергії в живих системах означає використання енергії, що надається одним процесом для керування іншими процесами, які інакше не відбудуться. Сам суспільство працює таким чином: Білорусі часто доводиться позичати великі суми грошей, щоб зійти з землі, але в кінцевому підсумку деякі з цих підприємств стають високорентабельними і можуть надавати кошти для інших стартап-компаній.

Фотосинтез є хорошим прикладом сполучення енергії, оскільки енергія від сонячного світла поєднується з реакціями в хлоропластах, щоб реакції могли розгортатися. Згодом рослина винагороджує світовий цикл вуглецю, синтезуючи глюкозу та інші сполуки вуглецю, які можуть бути пов'язані з іншими реакціями, негайно або в майбутньому. Наприклад, рослини пшениці виробляють крохмаль, використовуваний у світі як основне джерело їжі для людей та інших тварин. Але не вся глюкоза, вироблена рослинами, зберігається; деяка частина протікає в різних частинах рослинних клітин, де енергія, що вивільняється при гліколізі, в кінцевому рахунку поєднується з реакціями в мітохондріях рослин, які призводять до утворення АТФ. Незважаючи на те, що рослини представляють дно харчового ланцюга і широко сприймаються як пасивні донори енергії та кисню, вони мають власні метаболічні потреби, що мають зростати і розмножуватися так само, як інші організми.

Чому підписки на ліцензію можна змінити?

На відміну від студентів часто виникають проблеми з навчанням збалансувати хімічні реакції, якщо вони не забезпечуються в збалансованому вигляді. Як результат, під час майстерності, у студентів може виникнути спокуса змінити значення атрибутів у молекулах в реакції, щоб досягти збалансованого результату. Ця плутанина може випливати із знання того, що допустимо змінювати числа перед молекулами, щоб збалансувати реакції. Зміна індекса будь-якої молекули перетворює цю молекулу на іншу молекулу взагалі. Наприклад, зміна O₂ до О₃ не просто додає на 50 відсотків більше кисню у перерахунку на масу; він перетворює кисневий газ на озон, який не братиме участі в досліджуваній реакції віддалено подібним чином.