Inhalt
- Ein kurzer Überblick über die Photosynthese
- Welche Art von Reaktion ist Photosynthese?
- Die Strukturen der Photosynthese
- Der Mechanismus der Photosynthese
- Ist die Photosynthese endergonisch?
- Die hellen und dunklen Reaktionen der Photosynthese
- Was ist Energiekopplung?
- Warum können keine Indizes geändert werden?
Ohne die Reihe chemischer Reaktionen, die zusammen als Photosynthese bezeichnet werden, wären Sie nicht hier und niemand sonst, den Sie kennen. Dies könnte Sie als seltsame Behauptung bezeichnen, wenn Sie wissen, dass die Photosynthese nur für Pflanzen und einige wenige Mikroorganismen gilt und dass keine einzige Zelle in Ihrem Körper oder die eines Tieres über den Apparat verfügt, um diese elegante Zusammenstellung durchzuführen Reaktionen. Was gibt?
Pflanzen- und Tierleben sind nahezu perfekt miteinander verbunden, was bedeutet, dass die Art und Weise, wie Pflanzen ihre Stoffwechselbedürfnisse befriedigen, für Tiere von größtem Nutzen ist und umgekehrt. Im einfachsten Sinne nehmen Tiere Sauerstoff auf (O2) zur Gewinnung von Energie aus nicht gasförmigen Kohlenstoffquellen und zur Ausscheidung von Kohlendioxidgas (CO2) und Wasser (H2O) in dem Prozess, während Pflanzen CO verwenden2 und H2O um Essen zu machen und loszulassen2 für die Umwelt. Darüber hinaus stammen derzeit rund 87 Prozent der Weltenergie aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, die letztendlich auch Produkte der Photosynthese sind.
Es wird manchmal gesagt, dass "Photosynthese für Pflanzen ist, was für Tiere die Atmung ist", aber dies ist eine fehlerhafte Analogie, weil Pflanzen beide nutzen, während Tiere nur die Atmung nutzen. Stellen Sie sich die Photosynthese als die Art und Weise vor, in der Pflanzen Kohlenstoff verbrauchen und verdauen. Dabei verlassen sie sich eher auf Licht als auf Fortbewegung und essen, um Kohlenstoff in eine Form zu bringen, die winzige zelluläre Maschinen nutzen können.
Ein kurzer Überblick über die Photosynthese
Die Photosynthese kann vernünftigerweise als der einzige chemische Prozess angesehen werden, der für die Sicherstellung des Fortbestehens des Lebens auf der Erde selbst verantwortlich ist, obwohl sie nicht direkt von einem erheblichen Teil der Lebewesen genutzt wird. Photosynthetische Zellen nehmen CO auf2 und H2O wird vom Organismus aus der Umwelt gewonnen und nutzt die Energie des Sonnenlichts, um die Glukosesynthese anzutreiben (C6H12O6), O loslassen2 als Abfallprodukt. Diese Glukose wird dann von verschiedenen Zellen der Pflanze auf die gleiche Weise verarbeitet, wie Glukose von tierischen Zellen verwendet wird: Sie wird beatmet, um Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) freizusetzen und setzt CO frei2 als Abfallprodukt. (Phytoplankton und Cyanobakterien nutzen ebenfalls die Photosynthese, aber für die Zwecke dieser Diskussion werden Organismen, die photosynthetische Zellen enthalten, allgemein als "Pflanzen" bezeichnet.)
Organismen, die die Photosynthese zur Herstellung von Glukose verwenden, werden als Autotrophe bezeichnet. Das heißt, Pflanzen verlassen sich nicht direkt auf andere Organismen, um Nahrung zu erhalten. Tiere hingegen sind Heterotrophen ("andere Lebensmittel"), weil sie Kohlenstoff aus anderen lebenden Quellen aufnehmen müssen, um zu wachsen und am Leben zu bleiben.
Welche Art von Reaktion ist Photosynthese?
Die Photosynthese wird als Redoxreaktion angesehen. Redox ist die Abkürzung für "Reduktion-Oxidation", die beschreibt, was auf atomarer Ebene bei den verschiedenen biochemischen Reaktionen auftritt. Die vollständige, ausgewogene Formel für die Reihe von Reaktionen, die als Photosynthese bezeichnet werden und deren Bestandteile in Kürze untersucht werden, lautet:
6H2O + Licht + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
Sie können sich vergewissern, dass die Anzahl der Atome auf jeder Seite des Pfeils gleich ist: Sechs Kohlenstoffatome, 12 Wasserstoffatome und 18 Sauerstoffatome.
Reduktion ist die Entfernung von Elektronen aus einem Atom oder Molekül, während Oxidation die Gewinnung von Elektronen ist. Entsprechend werden Verbindungen, die leicht Elektronen für andere Verbindungen abgeben, Oxidationsmittel genannt, während diejenigen, die dazu neigen, Elektronen zu gewinnen, Reduktionsmittel genannt werden. Bei Redoxreaktionen wird üblicherweise Wasserstoff zu der zu reduzierenden Verbindung gegeben.
Die Strukturen der Photosynthese
Der erste Schritt in der Photosynthese könnte als "lass es Licht sein" zusammengefasst werden. Sonnenlicht trifft auf die Oberfläche von Pflanzen und setzt den gesamten Prozess in Gang. Vielleicht ahnen Sie bereits, warum viele Pflanzen so aussehen wie sie: Eine große Menge an Oberfläche in Form von Blättern und den sie stützenden Zweigen erscheint unnötig (wenn auch attraktiv), wenn Sie nicht wissen, warum diese Organismen so strukturiert sind. Das "Ziel" der Pflanze ist es, so viel wie möglich von sich selbst dem Sonnenlicht auszusetzen - und die kleinsten Pflanzen in jedem Ökosystem so zu machen, als würden sie die Runden eines Tiermülls hinter sich lassen, indem sie beide darum kämpfen, genügend Energie zu erhalten. Es überrascht nicht, dass Blätter in photosynthetischen Zellen extrem dicht sind.
Diese Zellen sind reich an Organismen, die als Chloroplasten bezeichnet werden. Hier wird die Photosynthese betrieben, genau wie in den Mitochondrien die Atmungsorganellen. Tatsächlich sind sich Chloroplasten und Mitochondrien strukturell ziemlich ähnlich, eine Tatsache, die wie praktisch alles in der Welt der Biologie auf die Wunder der Evolution zurückgeführt werden kann.) Chloroplasten enthalten spezielle Pigmente, die Lichtenergie optimal absorbieren, anstatt sie zu reflektieren. Was reflektiert und nicht absorbiert wird, liegt in einem Wellenlängenbereich, der vom menschlichen Auge und Gehirn als eine bestimmte Farbe interpretiert wird (Hinweis: Es beginnt mit "g"). Das zu diesem Zweck verwendete Hauptpigment ist als Chlorophyll bekannt.
Chloroplasten sind wie alle lebenden Zellen und die enthaltenen Organellen von einer Doppelplasmamembran umgeben. In Pflanzen existiert jedoch eine dritte Membran innerhalb der Plasmadoppelschicht, die als Thylakoidmembran bezeichnet wird. Diese Membran ist sehr weit gefaltet, so dass übereinander gestapelte Strukturen entstehen, ähnlich wie bei einer Packung mit Atemminen. Diese Thylakoidstrukturen enthalten Chlorophyll. Der Raum zwischen der inneren Chloroplastenmembran und der Thylakoidmembran wird Stroma genannt.
Der Mechanismus der Photosynthese
Die Photosynthese ist in eine Reihe von lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen unterteilt, die üblicherweise als Hell- und Dunkelreaktionen bezeichnet werden und später ausführlich beschrieben werden. Wie Sie vielleicht festgestellt haben, treten die Lichtreaktionen zuerst auf.
Wenn Sonnenlicht auf das Chlorophyll und andere Pigmente in den Thylakoiden trifft, sprengt es im Wesentlichen lose Elektronen und Protonen aus den Atomen im Chlorophyll und hebt sie auf ein höheres Energieniveau, wodurch sie freier wandern können. Die Elektronen werden in Elektronentransportkettenreaktionen umgeleitet, die sich auf der Thylakoidmembran selbst entfalten. Hier erhalten Elektronenakzeptoren wie NADP einige dieser Elektronen, die auch zur Steuerung der ATP-Synthese verwendet werden. ATP ist im Wesentlichen für Zellen gleichbedeutend mit US-Dollar: Es ist die "Energiewährung", mit der letztendlich praktisch alle Stoffwechselprozesse durchgeführt werden.
Währenddessen haben die in der Sonne badenden Chlorophyllmoleküle plötzlich einen Mangel an Elektronen. Hier tritt Wasser in den Kampf ein und trägt Ersatzelektronen in Form von Wasserstoff bei, wodurch das Chlorophyll reduziert wird. Was einst Wasser war, ist jetzt molekularer Sauerstoff - O2. Dieser Sauerstoff diffundiert vollständig aus der Zelle und aus der Pflanze heraus, und ein Teil davon hat es geschafft, genau in dieser Sekunde seinen Weg in die eigene Lunge zu finden.
Ist die Photosynthese endergonisch?
Die Photosynthese wird als endergonische Reaktion bezeichnet, da zum Fortschreiten Energie zugeführt werden muss. Die Sonne ist die ultimative Quelle aller Energie auf dem Planeten (eine Tatsache, die möglicherweise von den verschiedenen Kulturen der Antike verstanden wird, die die Sonne als eine eigene Gottheit betrachteten) und Pflanzen sind die ersten, die sie für den produktiven Gebrauch abfangen. Ohne diese Energie gäbe es keine Möglichkeit, Kohlendioxid, ein kleines, einfaches Molekül, in Glukose umzuwandeln, ein wesentlich größeres und komplexeres Molekül. Stellen Sie sich vor, Sie steigen eine Treppe hinauf, verbrauchen aber irgendwie keine Energie, und Sie können das Problem sehen, mit dem Pflanzen konfrontiert sind.
In arithmetischen Begriffen sind endergonische Reaktionen solche, bei denen die Produkte ein höheres Energieniveau aufweisen als die Reaktanten. Das Gegenteil dieser Reaktionen wird energetisch als exergonisch bezeichnet, wobei die Produkte eine niedrigere Energie als die Reaktionen haben und dabei Energie während der Reaktion freigesetzt wird. (Dies geschieht häufig in Form von Hitze - werden Sie wieder wärmer oder werden Sie bei körperlicher Anstrengung kälter?) Dies wird in Form der freien Energie ΔG ° der Reaktion ausgedrückt, die für die Photosynthese +479 kJ ⋅ mol beträgt-1 oder 479 Joule Energie pro Mol. Das positive Vorzeichen zeigt eine endotherme Reaktion an, während ein negatives Vorzeichen einen exothermen Prozess anzeigt.
Die hellen und dunklen Reaktionen der Photosynthese
Bei den Lichtreaktionen wird Wasser durch Sonnenlicht zerbrochen, während bei den Dunkelreaktionen die Protonen (H+) und Elektronen (e−) Die im Licht freigesetzten Reaktionen werden verwendet, um Glucose und andere Kohlenhydrate aus CO zusammenzusetzen2.
Die Lichtreaktionen sind durch die Formel gegeben:
2H2O + Licht → O2 + 4H+ + 4e−(& Dgr; G ° = +317 kJ ≤ mol−1)
und die dunklen Reaktionen sind gegeben durch:
CO2 + 4H+ + 4e− → CH2O + H2O (& Dgr; G ° = +162 kJ ⋅ mol−1)
Insgesamt ergibt sich die oben offenbarte vollständige Gleichung:
H2O + Licht + CO2 → CH2O + O2(& Dgr; G ° = +479 kJ ⋅ mol−1)
Sie können sehen, dass beide Sätze von Reaktionen endergonisch sind, die Lichtreaktionen stärker.
Was ist Energiekopplung?
Energiekopplung in lebenden Systemen bedeutet, die von einem Prozess bereitgestellte Energie zu nutzen, um andere Prozesse anzutreiben, die sonst nicht stattfinden würden. Die Gesellschaft selbst funktioniert auf diese Weise: Unternehmen müssen oft große Geldsummen im Voraus leihen, um in Gang zu kommen, aber letztendlich werden einige dieser Unternehmen hochprofitabel und können Mittel für andere Start-up-Unternehmen bereitstellen.
Die Photosynthese ist ein gutes Beispiel für die Energiekopplung, da die Energie des Sonnenlichts an Reaktionen in Chloroplasten gekoppelt wird, so dass sich die Reaktionen entfalten können. Die Anlage belohnt schließlich den globalen Kohlenstoffkreislauf, indem sie Glucose und andere Kohlenstoffverbindungen synthetisiert, die sofort oder in Zukunft an andere Reaktionen gekoppelt werden können. Beispielsweise produzieren Weizenpflanzen Stärke, die weltweit als Hauptnahrungsquelle für Menschen und andere Tiere verwendet wird. Aber nicht die gesamte von Pflanzen produzierte Glukose wird gespeichert. Ein Teil davon gelangt zu verschiedenen Teilen der Pflanzenzellen, wo die bei der Glykolyse freiwerdende Energie letztendlich an Reaktionen in den pflanzlichen Mitochondrien gekoppelt wird, die zur Bildung von ATP führen. Während Pflanzen das Ende der Nahrungskette darstellen und allgemein als passive Energie- und Sauerstoffspender angesehen werden, haben sie ihren eigenen Stoffwechselbedarf, müssen größer werden und sich wie andere Organismen vermehren.
Warum können keine Indizes geändert werden?
Abgesehen davon fällt es den Schülern oft schwer, das Gleichgewicht chemischer Reaktionen zu erlernen, wenn diese nicht in ausgewogener Form vorliegen. Infolgedessen könnten die Schüler beim Basteln versucht sein, die Werte der Indizes in Molekülen in der Reaktion zu ändern, um ein ausgeglichenes Ergebnis zu erzielen. Diese Verwirrung kann sich aus dem Wissen ergeben, dass es zulässig ist, die Zahlen vor den Molekülen zu ändern, um Reaktionen auszugleichen. Wenn Sie den Index eines Moleküls ändern, wird dieses Molekül zu einem anderen Molekül. Zum Beispiel O ändern2 zu3 fügt nicht nur 50 Prozent mehr Sauerstoff als Masse hinzu; es wandelt Sauerstoffgas in Ozon um, das nicht in ähnlicher Weise an der untersuchten Reaktion beteiligt wäre.