Quel type de réaction est la photosynthèse?

Contenu

• Un aperçu rapide de la photosynthèse
• Quel type de réaction est la photosynthèse?
• Les structures de la photosynthèse
• Le mécanisme de la photosynthèse
• La photosynthèse est-elle Endergonic?
• Les réactions claires et sombres de la photosynthèse
• Qu'est-ce que le couplage d'énergie?
• Pourquoi les souscriptions ne peuvent-elles pas être modifiées?

Sans la série de réactions chimiques connues sous le nom de photosynthèse, vous ne seriez pas là et personne d'autre que vous connaissez. Cela pourrait vous paraître étrange si vous savez que la photosynthèse concerne exclusivement les plantes et quelques micro-organismes, et qu’aucune cellule de votre corps ou celle de tout animal n’a l’appareil pour réaliser cet élégant assortiment de réactions. Ce qui donne?

En termes simples, la vie végétale et la vie animale sont presque parfaitement symbiotiques, ce qui signifie que la façon dont les plantes répondent à leurs besoins métaboliques est un avantage suprême pour les animaux et inversement. En termes simples, les animaux absorbent du gaz oxygène (O₂) pour tirer de l’énergie de sources de carbone non gazeuses et excréter du dioxyde de carbone (CO₂) et de l'eau (H₂O) dans le processus, alors que les plantes utilisent du CO₂ et H₂O faire de la nourriture et libérer O₂ à l'environnement. En outre, environ 87% de l'énergie mondiale provient actuellement de la combustion de combustibles fossiles, qui sont aussi, à terme, des produits de la photosynthèse.

On dit parfois que "la photosynthèse est pour les plantes ce que la respiration est pour les animaux", mais il s'agit d'une analogie erronée car les plantes utilisent les deux, tandis que les animaux n'utilisent que la respiration. Pensez à la photosynthèse comme à la façon dont les plantes consomment et digèrent le carbone, en s’appuyant sur la lumière plutôt que sur la locomotion et le fait de manger pour mettre le carbone sous une forme que de petites machines cellulaires peuvent utiliser.

Un aperçu rapide de la photosynthèse

La photosynthèse, bien qu'elle ne soit pas utilisée directement par une fraction importante des êtres vivants, peut raisonnablement être considérée comme le seul processus chimique responsable de la pérennité de la vie sur Terre. Les cellules photosynthétiques prennent du CO₂ et H₂O recueilli par l’organisme dans l’environnement et utilise l’énergie du soleil pour alimenter la synthèse du glucose (C₆H₁₂O₆), libérant O₂ comme déchet. Ce glucose est ensuite traité par différentes cellules de la plante de la même manière que le glucose est utilisé par les cellules animales: il est respiré pour libérer de l'énergie sous forme d'adénosine triphosphate (ATP) et libère du CO₂ comme déchet. (Le phytoplancton et les cyanobactéries utilisent également la photosynthèse, mais aux fins de la présente discussion, les organismes contenant des cellules photosynthétiques sont appelés génériquement "plantes".)

Les organismes qui utilisent la photosynthèse pour produire du glucose s'appellent des autotrophes, ce qui se traduit vaguement du grec par «auto-nourriture». Autrement dit, les plantes ne dépendent pas directement d’autres organismes pour se nourrir. Les animaux, en revanche, sont des hétérotrophes ("autres aliments") car ils doivent ingérer du carbone provenant d'autres sources vivantes pour se développer et rester en vie.

Quel type de réaction est la photosynthèse?

La photosynthèse est considérée comme une réaction d'oxydoréduction. Redox est l'abréviation de "réduction-oxydation", qui décrit ce qui se passe au niveau atomique dans les différentes réactions biochimiques. La formule complète et équilibrée pour la série de réactions appelée photosynthèse - dont les composants seront explorés sous peu - est la suivante:

6h₂O + lumière + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Vous pouvez vérifier par vous-même que le nombre de chaque type d’atome est identique de chaque côté de la flèche: six atomes de carbone, 12 atomes d’hydrogène et 18 atomes d’oxygène.

La réduction est l'élimination des électrons d'un atome ou d'une molécule, tandis que l'oxydation est le gain d'électrons. De manière correspondante, les composés qui cèdent facilement des électrons à d'autres composés sont appelés agents oxydants, tandis que ceux qui ont tendance à gagner des électrons sont appelés agents réducteurs. Les réactions redox impliquent généralement l'ajout d'hydrogène au composé à réduire.

Les structures de la photosynthèse

La première étape de la photosynthèse pourrait être résumée comme suit: "Que la lumière soit." La lumière du soleil frappe la surface des plantes, mettant en marche tout le processus. Vous pensez peut-être déjà pourquoi de nombreuses plantes ont cette apparence: Une grande surface sous forme de feuilles et les branches qui les supportent semblent inutiles (bien qu'attrayantes) si vous ne savez pas pourquoi ces organismes sont structurés de cette façon. Le "but" de la plante est de s'exposer autant que possible à la lumière du soleil - en fabriquant les plantes les plus petites et les plus petites dans n'importe quel écosystème, un peu comme les lambeaux d'une portée animale en ce sens qu'elles luttent toutes deux pour obtenir suffisamment d'énergie. Les feuilles, sans surprise, sont extrêmement denses dans les cellules photosynthétiques.

Ces cellules sont riches en organismes appelés chloroplastes, où se déroulent les travaux de photosynthèse, tout comme les mitelles ou les organites dans lesquels la respiration se produit. En fait, les chloroplastes et les mitochondries sont structurellement assez semblables, ce qui, comme pratiquement tout dans le monde de la biologie, peut être attribué aux merveilles de l'évolution. Les chloroplastes contiennent des pigments spécialisés qui absorbent de manière optimale l'énergie lumineuse plutôt que de la refléter. Ce qui est réfléchi plutôt que absorbé se trouve dans une gamme de longueurs d’onde qui est interprétée par l’œil humain et le cerveau comme une couleur particulière (indice: il commence par «g»). Le principal pigment utilisé à cette fin est appelé chlorophylle.

Les chloroplastes sont entourés d'une double membrane plasmique, comme toutes les cellules vivantes et les organites qu'elles contiennent. Cependant, chez les plantes, il existe une troisième membrane interne à la bicouche de plasma, appelée membrane thylakoïde. Cette membrane est pliée de manière très extensive de sorte que les structures décrites empilées les unes sur les autres donnent un résultat semblable à celui d'un paquet de bonbons à la menthe à respirer. Ces structures thylakoïdes contiennent de la chlorophylle. L'espace entre la membrane interne du chloroplaste et la membrane de la thylacoïde s'appelle le stroma.

Le mécanisme de la photosynthèse

La photosynthèse est divisée en un ensemble de réactions dépendantes de la lumière et indépendantes de la lumière, généralement appelées réactions de lumière et d'obscurité et décrites en détail plus tard. Comme vous l'avez peut-être conclu, les réactions lumineuses se produisent en premier.

Lorsque la lumière du soleil frappe la chlorophylle et d'autres pigments à l'intérieur des thylakoïdes, elle souffle essentiellement les électrons et les protons détachés des atomes de la chlorophylle et les élève à un niveau d'énergie supérieur, les rendant plus libres de migrer. Les électrons sont déviés dans les réactions en chaîne de transport d'électrons qui se déroulent sur la membrane thylakoïde elle-même. Ici, les accepteurs d'électrons tels que le NADP reçoivent certains de ces électrons, qui sont également utilisés pour piloter la synthèse de l'ATP. L’ATP concerne essentiellement les cellules ce que sont les dollars du système financier américain: c’est «la monnaie de l’énergie» au moyen de laquelle pratiquement tous les processus métaboliques sont finalement exécutés.

Pendant ce temps, les molécules de chlorophylle qui prennent un bain de soleil se sont soudainement retrouvées à court d'électrons. C'est là que l'eau entre dans la mêlée et contribue aux électrons de remplacement sous forme d'hydrogène, réduisant ainsi la chlorophylle. Avec son hydrogène disparu, ce qui était autrefois de l'eau est maintenant de l'oxygène moléculaire - O₂. Cet oxygène diffuse hors de la cellule et de la plante entièrement, et une partie de celui-ci a réussi à se frayer un chemin dans vos propres poumons à la seconde précisément.

La photosynthèse est-elle Endergonic?

La photosynthèse est appelée réaction endergonique, car elle nécessite un apport d'énergie pour pouvoir procéder. Le soleil est la source ultime de toute l'énergie de la planète (un fait peut-être compris à un certain niveau par les diverses cultures de l'Antiquité qui considéraient le soleil comme une divinité à part entière) et les plantes sont les premières à l'intercepter pour un usage productif. Sans cette énergie, le dioxyde de carbone, une petite molécule simple, ne pourrait être converti en glucose, une molécule considérablement plus grande et plus complexe. Imaginez-vous monter un escalier sans dépenser aucune énergie et vous pouvez voir le problème rencontré par les plantes.

En termes arithmétiques, les réactions énergétiques sont celles dans lesquelles les produits ont un niveau d'énergie supérieur à celui des réactifs. Les opposés de ces réactions, appelés énergétiquement, sont appelés exergoniques, dans lesquels les produits ont une énergie inférieure à celle des réactions et l’énergie est ainsi libérée au cours de la réaction. (Ceci est souvent sous forme de chaleur - encore une fois, devenez-vous plus chaud ou devenez-vous plus froid avec l'exercice?) Ceci est exprimé en termes d'énergie libre ΔG ° de la réaction, qui pour la photosynthèse est de +479 kJ mol^-1 ou 479 joules d'énergie par mole. Le signe positif indique une réaction endothermique, tandis qu'un signe négatif indique un processus exothermique.

Les réactions claires et sombres de la photosynthèse

Dans les réactions lumineuses, l’eau est séparée du soleil, tandis que dans les réactions sombres, les protons (H⁺) et des électrons (e⁻) libérés dans la lumière, les réactions permettent d'assembler le glucose et d'autres glucides à partir de CO₂.

Les réactions lumineuses sont données par la formule:

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

et les réactions sombres sont donnés par:

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

Globalement, cela donne l'équation complète révélée ci-dessus:

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

Vous pouvez voir que les deux types de réactions sont endergoniques, les réactions lumineuses plus fortement.

Qu'est-ce que le couplage d'énergie?

Coupler l'énergie dans les systèmes vivants signifie utiliser l'énergie mise à disposition par un processus pour piloter d'autres processus qui autrement n'auraient pas lieu. La société elle-même fonctionne de la manière suivante: les entreprises doivent souvent emprunter d’énormes sommes d’argent pour pouvoir démarrer, mais certaines de ces entreprises deviennent très rentables et peuvent dégager des fonds pour d’autres entreprises en démarrage.

La photosynthèse représente un bon exemple de couplage d'énergie, l'énergie de la lumière du soleil étant couplée aux réactions dans les chloroplastes afin que les réactions puissent se dérouler. L'usine finit par récompenser le cycle global du carbone en synthétisant du glucose et d'autres composés carbonés pouvant être couplés à d'autres réactions, immédiatement ou à l'avenir. Par exemple, les plants de blé produisent de l'amidon, utilisé dans le monde entier comme source principale d'aliments pour l'homme et d'autres animaux. Mais tout le glucose produit par les plantes n'est pas stocké; une partie de celle-ci se dirige vers différentes parties des cellules végétales, où l'énergie libérée lors de la glycolyse est finalement couplée à des réactions dans les mitochondries de la plante qui entraînent la formation d'ATP. Alors que les plantes représentent le fond de la chaîne alimentaire et sont largement considérées comme des donneurs passifs d’énergie et d’oxygène, elles ont elles-mêmes des besoins métaboliques et doivent grandir et se reproduire comme d’autres organismes.

Pourquoi les souscriptions ne peuvent-elles pas être modifiées?

Par ailleurs, les étudiants ont souvent du mal à apprendre à équilibrer les réactions chimiques si celles-ci ne sont pas fournies sous une forme équilibrée. En conséquence, les élèves peuvent être tentés de modifier les valeurs des indices dans les molécules de la réaction afin d'obtenir un résultat équilibré. Cette confusion peut provenir du fait qu’il est permis de modifier les chiffres devant les molécules afin d’équilibrer les réactions. En modifiant l'indice d'une molécule, on transforme cette molécule en une molécule différente. Par exemple, changer O₂ aussi₃ n'apporte pas simplement 50% d'oxygène en plus en masse; il transforme l'oxygène gazeux en ozone, ce qui ne participerait pas à la réaction à l'étude d'une manière très similaire.