Che tipo di reazione è la fotosintesi?

Contenuto

• Una rapida panoramica della fotosintesi
• Che tipo di reazione è la fotosintesi?
• Le strutture della fotosintesi
• Il meccanismo della fotosintesi
• La fotosintesi è endergonica?
• Le reazioni chiare e oscure della fotosintesi
• Che cos'è l'accoppiamento energetico?
• Perché non è possibile modificare gli abbonamenti Cant?

Senza la serie di reazioni chimiche collettivamente conosciute come fotosintesi, non saresti qui e nessuno lo saprebbe. Questo potrebbe sembrare una strana affermazione se ti capita di sapere che la fotosintesi è esclusiva per le piante e alcuni microrganismi e che non una singola cellula nel tuo corpo o quella di qualsiasi animale ha l'apparato per realizzare questo elegante assortimento di Le reazioni. Cosa dà?

In parole povere, la vita delle piante e la vita degli animali sono quasi perfettamente simbiotiche, il che significa che il modo in cui le piante soddisfano i loro bisogni metabolici è di grande beneficio per gli animali e viceversa. In termini più semplici, gli animali assorbono ossigeno gassoso (O₂) per ricavare energia da fonti di carbonio non gassose ed espellere anidride carbonica (CO₂) e acqua (H₂O) nel processo, mentre le piante usano CO₂ e H.₂O per fare cibo e rilasciare O₂ all'ambiente. Inoltre, circa l'87 percento dell'energia mondiale è attualmente derivata dalla combustione di combustibili fossili, che alla fine sono anche prodotti della fotosintesi.

Si dice a volte che "la fotosintesi è per le piante ciò che la respirazione è per gli animali", ma questa è un'analogia imperfetta perché le piante usano entrambi, mentre gli animali usano solo la respirazione. Pensa alla fotosintesi come al modo in cui le piante consumano e digeriscono il carbonio, basandosi sulla luce piuttosto che sulla locomozione e sull'atto di mangiare per mettere il carbonio in una forma che le piccole macchine cellulari possono usare.

Una rapida panoramica della fotosintesi

La fotosintesi, nonostante non sia utilizzata direttamente da una frazione significativa degli esseri viventi, può essere ragionevolmente considerata come l'unico processo chimico responsabile di garantire l'esistenza in corso della vita sulla Terra stessa. Le cellule fotosintetiche prendono CO₂ e H.₂O raccolto dall'organismo dall'ambiente e utilizza l'energia della luce solare per alimentare la sintesi del glucosio (C₆H₁₂O₆), rilasciando O₂ come prodotto di scarto. Questo glucosio viene quindi elaborato da diverse cellule della pianta nello stesso modo in cui il glucosio viene utilizzato dalle cellule animali: subisce la respirazione per rilasciare energia sotto forma di adenosina trifosfato (ATP) e rilascia CO₂ come prodotto di scarto. (Anche il fitoplancton e i cianobatteri fanno uso della fotosintesi, ma ai fini di questa discussione, gli organismi contenenti cellule fotosintetiche sono genericamente definiti "piante").

Gli organismi che usano la fotosintesi per produrre il glucosio sono chiamati autotrofi, che traducono liberamente dal greco in "auto-cibo". Cioè, le piante non si affidano ad altri organismi direttamente per il cibo. Gli animali, d'altra parte, sono eterotrofi ("altro cibo") perché devono ingerire carbonio da altre fonti viventi per crescere e rimanere vivi.

Che tipo di reazione è la fotosintesi?

La fotosintesi è considerata una reazione redox. Redox è l'abbreviazione di "riduzione-ossidazione", che descrive ciò che accade a livello atomico nelle varie reazioni biochimiche. La formula completa ed equilibrata per la serie di reazioni chiamate fotosintesi - i cui componenti verranno esplorati a breve - è:

6H₂O + luce + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Puoi verificare tu stesso che il numero di ciascun tipo di atomo è lo stesso su ciascun lato della freccia: sei atomi di carbonio, 12 atomi di idrogeno e 18 atomi di ossigeno.

La riduzione è la rimozione di elettroni da un atomo o molecola, mentre l'ossidazione è il guadagno di elettroni. Di conseguenza, i composti che producono prontamente elettroni ad altri composti sono chiamati agenti ossidanti, mentre quelli che tendono a guadagnare elettroni sono chiamati agenti riducenti. Le reazioni redox di solito comportano la riduzione dell'aggiunta di idrogeno al composto.

Le strutture della fotosintesi

Il primo passo nella fotosintesi potrebbe essere riassunto come "lascia che ci sia luce". La luce del sole colpisce la superficie delle piante, mettendo in moto l'intero processo. Potresti già sospettare perché molte piante sembrano così: una grande superficie sotto forma di foglie e rami che le sostengono appare superflua (anche se attraente) se non sai perché questi organismi sono strutturati in questo modo. L '"obiettivo" della pianta è quello di esporre il più possibile alla luce del sole - rendendo le piante più brevi e più piccole in qualsiasi ecosistema piuttosto come le rune di una lettiera per animali in quanto entrambi lottano per ottenere abbastanza energia. Le foglie, non a caso, sono estremamente dense nelle cellule fotosintetiche.

Queste cellule sono ricche di organismi chiamati cloroplasti, che è dove viene svolto il lavoro di fotosintesi, proprio come i mitocondri sono gli organelli in cui si verifica la respirazione. In effetti, cloroplasti e mitocondri sono strutturalmente abbastanza simili, un fatto che, come praticamente tutto nel mondo della biologia, può essere ricondotto alle meraviglie dell'evoluzione.) I cloroplasti contengono pigmenti specializzati che assorbono in modo ottimale l'energia della luce piuttosto che riflettendola. Ciò che viene riflesso piuttosto che assorbito sembra essere in una gamma di lunghezze d'onda che viene interpretato dall'occhio e dal cervello umani come un colore particolare (suggerimento: inizia con "g"). Il pigmento principale utilizzato a questo scopo è noto come clorofilla.

I cloroplasti sono circondati da una doppia membrana plasmatica, come nel caso di tutte le cellule viventi e degli organelli che contengono. Nelle piante, tuttavia, esiste una terza membrana interna al doppio strato del plasma, chiamata membrana tilosoidea. Questa membrana è ripiegata in modo estensivo in modo che le strutture disclike impilate l'una sull'altra risultino, non diversamente da un pacchetto di mentine per il respiro. Queste strutture tilacoidi contengono clorofilla. Lo spazio tra la membrana cloroplastica interna e la membrana tilosoidea è chiamato stroma.

Il meccanismo della fotosintesi

La fotosintesi è divisa in un insieme di reazioni dipendenti dalla luce e indipendenti dalla luce, di solito chiamate reazioni di luce e buio e descritte in dettaglio in seguito. Come potresti aver concluso, le reazioni alla luce si verificano per prime.

Quando la luce del sole colpisce la clorofilla e altri pigmenti all'interno dei tilacoidi, fondamentalmente fa esplodere elettroni e protoni dagli atomi nella clorofilla e li eleva a un livello di energia più elevato, rendendoli più liberi di migrare. Gli elettroni vengono deviati nelle reazioni della catena di trasporto degli elettroni che si svolgono sulla membrana stessa del tilacoide. Qui, gli accettori di elettroni come NADP ricevono alcuni di questi elettroni, che sono anche usati per guidare la sintesi di ATP. L'ATP è essenzialmente per le cellule ciò che i dollari sono per il sistema finanziario degli Stati Uniti: è la "valuta energetica" che utilizza praticamente tutti i processi metabolici.

Mentre ciò accade, le molecole di clorofilla che prendono il sole si sono improvvisamente trovate a corto di elettroni. È qui che l'acqua entra nella mischia e contribuisce alla sostituzione degli elettroni sotto forma di idrogeno, riducendo così la clorofilla. Con il suo idrogeno scomparso, quello che una volta era acqua ora è ossigeno molecolare - O₂. Questo ossigeno si diffonde completamente fuori dalla cellula e dalla pianta, e in parte è riuscito a farsi strada nei polmoni proprio in questo secondo.

La fotosintesi è endergonica?

La fotosintesi è definita una reazione endergonica perché richiede un input di energia per procedere. Il sole è la fonte ultima di tutta l'energia del pianeta (un fatto forse compreso a un certo livello dalle varie culture dell'antichità che consideravano il sole una divinità a sé stante) e le piante sono le prime a intercettarlo per un uso produttivo. Senza questa energia, non ci sarebbe modo per il biossido di carbonio, una molecola piccola e semplice, di essere convertita in glucosio, una molecola considerevolmente più grande e complessa. Immagina di camminare su una rampa di scale senza in qualche modo spendere energia e puoi vedere il problema affrontato dalle piante.

In termini aritmetici, le reazioni endergoniche sono quelle in cui i prodotti hanno un livello di energia più elevato rispetto ai reagenti. L'opposto di queste reazioni, energeticamente parlando, sono chiamate esergoniche, in cui i prodotti hanno un'energia inferiore rispetto alle reazioni e l'energia viene così liberata durante la reazione. (Questo è spesso sotto forma di calore - di nuovo, diventi più caldo o diventi più freddo con l'esercizio?) Questo è espresso in termini di energia libera ΔG ° della reazione, che per la fotosintesi è +479 kJ ⋅ mol^-1 o 479 joule di energia per mole. Il segno positivo indica una reazione endotermica, mentre un segno negativo indica un processo esotermico.

Le reazioni chiare e oscure della fotosintesi

Nelle reazioni alla luce, l'acqua viene spezzata dalla luce solare, mentre nelle reazioni al buio, i protoni (H⁺) ed elettroni (e⁻) liberati nelle reazioni luminose vengono utilizzati per assemblare glucosio e altri carboidrati da CO₂.

Le reazioni alla luce sono date dalla formula:

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

e le reazioni oscure sono date da:

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

Complessivamente, questo produce l'equazione completa rivelata sopra:

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

Potete vedere che entrambi gli insiemi di reazioni sono endergonici, le reazioni luminose più fortemente.

Che cos'è l'accoppiamento energetico?

L'accoppiamento di energia nei sistemi viventi significa utilizzare l'energia resa disponibile da un processo per guidare altri processi che altrimenti non avrebbero luogo. La società stessa funziona in questo modo: le aziende spesso devono prendere in prestito ingenti somme di denaro in anticipo per decollare, ma alla fine alcune di queste aziende diventano altamente redditizie e possono rendere disponibili fondi per altre start-up.

La fotosintesi rappresenta un buon esempio di accoppiamento di energia, in quanto l'energia della luce solare è accoppiata alle reazioni nei cloroplasti in modo che le reazioni possano svolgersi. L'impianto alla fine premia il ciclo globale del carbonio sintetizzando glucosio e altri composti del carbonio che possono essere accoppiati ad altre reazioni, immediatamente o in futuro. Ad esempio, le piante di grano producono amido, utilizzato in tutto il mondo come principale fonte di cibo per l'uomo e altri animali. Ma non tutto il glucosio prodotto dalle piante è immagazzinato; parte di esso procede verso diverse parti delle cellule vegetali, dove l'energia liberata nella glicolisi è in definitiva accoppiata alle reazioni nei mitocondri vegetali che provocano la formazione di ATP. Mentre le piante rappresentano il fondo della catena alimentare e sono ampiamente viste come donatori di energia passiva e ossigeno, hanno esigenze metaboliche proprie, devono ingrandirsi e riprodursi proprio come altri organismi.

Perché non è possibile modificare gli abbonamenti Cant?

A parte questo, gli studenti hanno spesso difficoltà a imparare a bilanciare le reazioni chimiche se queste non sono fornite in forma equilibrata. Di conseguenza, nel loro armeggiare, gli studenti possono essere tentati di cambiare i valori degli indici nelle molecole nella reazione al fine di ottenere un risultato equilibrato. Questa confusione può derivare dal sapere che è consentito cambiare i numeri davanti alle molecole per bilanciare le reazioni. La modifica del pedice di qualsiasi molecola trasforma quella molecola in una molecola completamente diversa. Ad esempio, cambiando O₂ pure₃ non aggiunge semplicemente il 50% in più di ossigeno in termini di massa; cambia l'ossigeno gassoso in ozono, che non parteciperebbe alla reazione oggetto di studio in modo remoto simile.