Utan den serie av kemiska reaktioner som tillsammans kallas fotosyntes, skulle du inte vara här och inte heller någon annan du känner. Detta kan förefalla dig som ett konstigt påstående om du råkar veta att fotosyntes är exklusivt för växter och ett fåtal mikroorganismer, och att inte en enda cell i din kropp eller hos något djur har utrustningen för att utföra detta eleganta sortiment av reaktioner. Vad ger?
Enkelt uttryckt är växtliv och djurliv nästan perfekt symbiotisk, vilket innebär att sättet som växter går tillväga för att uppfylla sina metabola behov är till stor nytta för djur och vice versa. I enklaste termer tar djur in syrgas (O2) för att hämta energi från icke-gasformiga kolkällor och utsöndra koldioxidgas (CO2) och vatten (H2O) i processen, medan växter använder CO2 och H2O för att göra mat och släpp ut O2 till miljön. Dessutom kommer omkring 87 procent av världens energi för närvarande från förbränning av fossila bränslen, som i slutändan också är produkter av fotosyntes.
Det sägs ibland att ”fotosyntes är för växter vad andning är för djur”, men detta är en bristfällig analogi eftersom växter använder båda, medan djur bara använder andning. Tänk på fotosyntes som sättet som växter konsumerar och smälter kol, förlitar sig på ljus snarare än rörelse och handlingen att äta för att sätta kol i en form som små cellulära maskiner kan använda.
En snabb översikt av fotosyntes
Fotosyntes, trots att den inte används direkt av en betydande bråkdel av levande varelser, rimligtvis kan ses som den enda kemiska process som är ansvarig för att säkerställa den pågående existensen av liv på själva jorden. Fotosyntetiska celler tar CO2 och H2O samlat av organism från omgivningen och använder energin från solljus för att driva syntesen av glukos (C6H12O6), släpper O2 som avfallsprodukt. Denna glukos bearbetas sedan av olika celler i växten på samma sätt som glukos används av djurceller: Den genomgår andning för att frigöra energi i form av adenosintrifosfat (ATP) och frisätter CO2 som avfallsprodukt. (Fytoplankton och cyanobakterier använder också fotosyntes, men i denna diskussion kallas organismer som innehåller fotosyntetiska celler allmänt som ”växter.”)
Organismer som använder fotosyntes för att göra glukos kallas autotrofer, vilket löst översätts från grekiska till ”självmat”. Det vill säga att växter inte förlitar sig på andra organismer direkt för mat. Djur, å andra sidan, är heterotrofer (”annan mat”) eftersom de måste få i sig kol från andra levande källor för att växa och förbli vid liv.
Vilken typ av reaktion är fotosyntes?
Fotosyntes anses vara en redoxreaktion. Redox är en förkortning för ”reduktion-oxidation”, som beskriver vad som sker på atomnivå i de olika biokemiska reaktionerna. Den kompletta, balanserade formeln för serien av reaktioner som kallas fotosyntes – vars komponenter kommer att utforskas inom kort – är:
6H2O + ljus + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
Du kan själv verifiera att numret på varje typ av atom är detsamma på varje sida av pilen: Sex kolatomer, 12 väteatomer och 18 syreatomer.
Reduktion är avlägsnandet av elektroner från en atom eller molekyl, medan oxidation är att få elektroner. På motsvarande sätt kallas föreningar som lätt ger elektroner till andra föreningar oxidationsmedel, medan de som tenderar att få elektroner kallas reduktionsmedel. Redoxreaktioner involverar vanligtvis tillsats av väte till föreningen som reduceras.
Det första steget i fotosyntesen kan sammanfattas som ”låt det bli ljus”. Solljus träffar växternas yta och sätter igång hela processen. Du kanske redan misstänker varför många växter ser ut som de gör: En stor yta i form av löv och grenarna som stöder dem som verkar onödiga (om än attraktiva) om du inte vet varför dessa organismer är strukturerade på detta sätt . Växtens ”mål” är att exponera så mycket av sig själv för solljus som den kan – vilket gör att de kortaste, minsta växterna i något ekosystem snarare liknar djurens strö, eftersom de båda kämpar för att få tillräckligt med energi. Blad, inte överraskande, är extremt täta i fotosyntetiska celler.
Dessa celler är rika på organismer som kallas kloroplaster, där arbetet med fotosyntesen utförs, precis som mitokondrier är de organeller där andning sker. Faktum är att kloroplaster och mitokondrier är strukturellt ganska lika, ett faktum som, liksom praktiskt taget allt inom biologins värld, kan spåras till evolutionens under.) Kloroplaster innehåller specialiserade pigment som optimalt absorberar ljusenergi snarare än att reflektera den. Det som reflekteras snarare än absorberas råkar vara inom ett intervall av våglängder som tolkas av det mänskliga ögat och hjärnan som en viss färg (tips: Det börjar med ”g”). Det huvudsakliga pigmentet som används för detta ändamål är känt som klorofyll.
Kloroplaster omges av ett dubbelt plasmamembran, vilket är fallet med alla levande celler samt de organeller de innehåller. I växter finns dock ett tredje membran internt i plasmabiskiktet, kallat ett tylakoidmembran. Detta membran viks mycket omfattande så att skivliknande strukturer staplade ovanpå varandra resulterar, inte olikt ett paket av andedräkt mynta. Dessa tylakoidstrukturer innehåller klorofyll. Utrymmet mellan det inre kloroplastmembranet och tylakoidmembranet kallas stroma.
Fotosyntesen är uppdelad i en uppsättning ljusberoende och ljusoberoende reaktioner, vanligtvis kallade ljus- och mörkerreaktionerna och beskrivs i detalj senare. Som du kanske har kommit fram till inträffar ljusreaktionerna först.
När ljus från solen träffar klorofyllet och andra pigment inuti tylakoiderna, spränger det i huvudsak lösa elektroner och protoner från atomerna i klorofyll och höjer dem till en högre energinivå, vilket gör dem friare att migrera. Elektronerna avleds till elektrontransportkedjereaktionerna som utspelar sig på själva tylakoidmembranet. Här tar elektronacceptorer som NADP emot några av dessa elektroner, som också används för att driva syntesen av ATP. ATP är i grunden för celler vad dollar är för det amerikanska finanssystemet: Det är ”energivalutan” med vilken praktiskt taget alla metaboliska processer slutligen utförs.
Medan detta händer har de solbadande klorofyllmolekylerna plötsligt funnit att de saknar elektroner. Det är här som vatten kommer in i striden och bidrar med ersättningselektroner i form av väte, vilket minskar klorofyllet. Med sitt väte försvunnet är det som en gång var vatten nu molekylärt syre – O2. Detta syre diffunderar ut ur cellen och ut ur växten helt och hållet, och en del av det har lyckats hitta sin väg in i dina egna lungor precis i denna sekund.
Fotosyntes kallas en endergonisk reaktion eftersom den kräver tillförsel av energi för att kunna fortsätta. Solen är den ultimata källan till all energi på planeten (ett faktum som kanske förstås på någon nivå av antikens olika kulturer som ansåg att solen var en gudom i sin egen rätt) och växter är de första att fånga upp den för produktivt bruk. Utan denna energi skulle det inte finnas något sätt för koldioxid, en liten, enkel molekyl, att omvandlas till glukos, en betydligt större och mer komplex molekyl. Föreställ dig att du går uppför en trappa medan du på något sätt inte förbrukar någon energi, och du kan se problemet med växter.
I aritmetiska termer är endergoniska reaktioner sådana där produkterna har en högre energinivå än vad reaktanterna har. Motsatsen till dessa reaktioner, energimässigt sett, kallas exergoniska, där produkterna har lägre energi än reaktionerna och energi frigörs därmed under reaktionen. (Detta är ofta i form av värme – igen, blir du varmare eller blir du kallare av träning?) Detta uttrycks i termer av reaktionens fria energi ΔG°, som för fotosyntes är +479 kJ ⋅ mol -1 eller 479 joule energi per mol. Det positiva tecknet indikerar en endoterm reaktion, medan ett negativt tecken indikerar en exoterm process.
I ljusreaktionerna bryts vatten isär av solljus, medan i mörkret reagerar protonerna (H+) och elektroner (e−) frigjorda i ljusreaktionerna används för att sammanställa glukos och andra kolhydrater från CO2.
Ljusreaktionerna ges av formeln: 2H2O + ljus → O2 + 4H+ + 4e − (ΔG° = +317 kJ ⋅ mol−1) och de mörka reaktionerna ges av: CO2 + 4H+ + 4e− → CH2O + H2O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol −1)
Sammantaget ger detta den fullständiga ekvationen som avslöjas ovan:
H2O + ljus + CO2 → CH2O + O2(ΔG° = + 479 kJ ⋅ mol −1)
Du kan se att båda uppsättningarna av reaktioner är endergoniska, ljusreaktionerna mer starkt så.
Vad är energikoppling?
Energikoppling i levande system innebär att man använder energi som görs tillgänglig från en process för att driva andra processer som annars inte skulle äga rum. Samhället i sig fungerar ungefär så här: Företag måste ofta låna stora summor pengar i förväg för att komma igång, men i slutändan blir vissa av dessa företag mycket lönsamma och kan göra pengar tillgängliga för andra nystartade företag.
Fotosyntes representerar ett bra exempel på energikoppling, eftersom energi från solljus kopplas till reaktioner i kloroplaster så att reaktionerna kan utvecklas. Anläggningen belönar så småningom den globala kolcykeln genom att syntetisera glukos och andra kolföreningar som kan kopplas till andra reaktioner, omedelbart eller i framtiden. Till exempel producerar veteväxter stärkelse, som används över hela världen som en huvudkälla för livsmedel för människor och andra djur. Men inte all glukos som tillverkas av växter lagras; en del av det fortsätter till olika delar av växtceller, där energin som frigörs i glykolysen i slutändan kopplas till reaktioner i växtmitokondrierna som resulterar i bildandet av ATP. Medan växter representerar botten av maten cha i och ses allmänt som passiva energi- och syredonatorer, de har sina egna metabola behov, måste växa sig större och föröka sig precis som andra organismer.
Varför kan inte prenumerationer ändras?
Som ett stycke har eleverna ofta problem med att lära sig att balansera kemiska reaktioner om dessa inte tillhandahålls i balanserad form. Som ett resultat, i sitt mixtrande, kan eleverna frestas att ändra värdena för subskripten i molekyler i reaktionen för att uppnå ett balanserat resultat. Denna förvirring kan bero på att man vet att det är tillåtet att ändra siffrorna framför molekylerna för att balansera reaktioner. Genom att ändra subskriptet för en molekyl förvandlas den molekylen till en helt annan molekyl. Att till exempel ändra O2 till O3 gör inte bara tillsätt 50 procent mer syre i form av massa; den ändrar syrgas till ozon, som inte skulle delta i reaktionen som studeras på ett avlägset liknande sätt.
