Av Kevin Beck, uppdaterad 30 augusti 2022
James O'Neil/DigitalVision/GettyImages
Fotosyntes är den grundläggande biokemiska kaskaden som driver livet på jorden. Även om endast en undergrupp av organismer – växter, alger och cyanobakterier – utför denna process, är dess produkter, syre och organiskt kol, oumbärliga för alla andra levande system.
I sin kärna omvandlar fotosyntes atmosfärisk CO2 och vatten till glukos (C6 H12 O6 ) medan du släpper O2 :
6H2 O + ljus + 6CO2 → C6 H12 O6 + 6O2
Glukos metaboliseras sedan av växtceller på ett sätt som är analogt med djurceller – via cellulär andning – för att generera ATP, den universella energivalutan.
Autotrofer, eller självföda organismer, utför fotosyntes, medan heterotrofer (djur, svampar, många bakterier) måste få i sig organiskt kol som produceras av autotrofer.
Fotosyntes är en klassisk redoxreaktion (reduktion-oxidation). Elektroner överförs från vatten till koldioxid, med ljusenergi som driver processen:
Reduktion tar bort elektroner; oxidation lägger till dem. I detta sammanhang fungerar vatten som elektrondonator (oxidationsmedel) och CO2 reduceras (fungerar som elektronacceptor).
Fotosyntesen äger rum i kloroplaster - organeller som i struktur är analoga med mitokondrier. Varje kloroplast omges av ett dubbelt membran och innehåller inre tylakoidmembran packade i staplar som kallas grana.
Klorofyll, det gröna pigmentet som fångar ljus, är inbäddat i dessa tylakoider. När fotoner träffar klorofyll, höjer de elektroner till högre energinivåer, vilket initierar elektrontransportkedjan.
I närvaro av ljus donerar klorofyllmolekyler elektroner till en serie bärare i tylakoidmembranet. Den resulterande energin utnyttjas för att syntetisera ATP via kemiosmos, medan NADP + reduceras till NADPH.
Vattenmolekyler delas för att ersätta förlorade elektroner, vilket ger O2 som en biprodukt:
2H2 O + ljus → O2 + 4H + + 4e − (ΔG° =+317 kJ·mol −1 )
ATP och NADPH som genereras ovan ger den energi och reducerande kraft som behövs för att fixera CO2 till kolhydrater:
CO2 + 4H + + 4e − → CH2 O + H2 O (ΔG° =+162 kJ·mol −1 )
Tillsammans är den övergripande fotosyntetiska ekvationen:
H2 O + ljus + CO2 → CH2 O + O2 (ΔG° =+479 kJ·mol −1 )
Energikoppling beskriver hur växter använder absorberad ljusenergi för att driva endergoniska processer som annars inte skulle inträffa. De resulterande sockerarterna matar den globala kolcykeln och utgör basen för alla näringsvävar.
Ändring av subskript i kemiska formler förändrar ämnet helt – till exempel genom att vrida O2 till O3 producerar ozon, inte syre. Noggrann balansering bevarar identiteten för varje molekyl.
Genom att upprätthålla balanserade ekvationer får eleverna en tydligare förståelse för fotosyntesens stökiometri och energi.
