Prethodni post iz serije o fotosintezi: “Zeleno, volim te zeleno – uvod u proces fotosinteze“. Ovi tekstovi su objavljeni 2015.

U prošlom postu sam napravila jedan mali uvod u proces fotosinteze, kako biste mogli bolje pratiti ovaj post, u kojem pišem o biohemijskim procesima koji se odvijaju u toku fotosinteze i fizici koja stoji iza svega toga.

Dakle – ono što je bilo bitno iz prethodnog posta je da bude jasno kako biljke nisu jedina živa bića koja vrše fotosintezu (to mogu i neke bakterije i protisti) te da kada kažemo da u fotosintezi nastaje “šećer” ne mislimo da odmah nastaje onaj šećer koji stavljamo u kafu i kolače.

A sad-hajmo na “ozbiljnu” nauku.

Pogledajte opštu formulu fotosinteze:

 

 
Dakle, da bi organizam koji može vršiti fotosintezu proizveo 1 molekulu šećera glukoze C6H12O6, on mora iz atmosfere uzeti 6 molekula karbon-dioksida. Međutim, ako bi se sav kisik/oksigen iz molekule karbon-dioksida ugradio u molekulu glukoze, tu bi onda umjesto 6 atoma oksigena bilo 12. U reakciju ulazi 12 atoma oksigena, ali samo se 6 ugrađuje u molekulu glukoze. Ostatak se oslobađa zajedno sa kisikom iz molekula vode i odlazi u atmosferu. Oksigen je biljkama (i drugim fotosintetskim organizmima) pomalo “višak” – nepotreban im je u fotosintezi, ali im je potreban noću, kada vrše proces disanja, baš kao i mi.
 
Eh, sad ulazimo u polje hemije. Kada neka tvar, neka molekula smanjuje broj atoma oksigena, kao što je ovdje slučaj sa molekulom CO2, kažemo da se redukuje. Kada nešto veže oksigen, kažemo da se oksiduje.
 
Znači – najvulgarnije rečeno, fotosinteza je proces redukovanja karbon-dioksida, kojeg biljka uzima iz atmosfere, u glukozu, molekulu u kojoj je smanjen broj atoma oksigena, ali su dodati atomi hidrogena, njih 12. Zato ovakva jedinjenja zovemo ugljikohidrati/karbohidrati. U organskoj hemiji postoje još jednostavnija, još redukovanija jedinjenja, koja uopšte nemaju niti jedan atom oksigena. To su ugljikovodici – alkani, alkeni, alkini. 
 
Međutim, zaboravimo sad ugljikovodike, vratimo se ugljikohidratima (ovo sam spomenula jer je zbog sličnosti imena lako pomiješati ugljikovodike i ugljikohidrate).
 
Zapravo, kada hemičari govore o reakcijama oksidacije i redukcije, oni ne misle samo na primanje ili oduzimanje atoma kisika. Hemičari su vrlo precizni i racionalni, mrze fušeriti stvari i onda su se dobro zamislili znajući da postoje reakcije u kojima ne učestvuje oksigen, pa ih je zanimalo šta se dešava u tim reakcijama.
 
Na kraju su hemičari zaključili da su sve hemijske reakcije u prirodi – i u anorganskoj i organskoj hemiji, suštinski samo neke redukcije ili oksidacije. Kako?
 
Svaki atom, bilo kojeg hemijskog elementa, ima određen broj elektrona u posljednoj “ljusci” tj. energetskom nivou. Da bi atom bio stabilan, u posljednjoj ljusci bi trebalo biti 8 elektrona. Inače, elektroni, bez obzira da li ih u atomu ima 1, 2, 56 ili 89 “naseljavaju” tj. popunjavaju elektronske nivoe tako da prvo popune one “najudobnije” – najbliže jezgru atoma. Kada se taj nivo prvi popuni, elektroni popunjavaju viši nivo i sve tako. To je zbog toga što su elektroni leptoni, a svi leptoni su fermioni i svi fermioni odgovaraju Fermi-Duracovoj statistici, koja, između ostalih stvari, kaže da se dva fermiona ne mogu nalaziti na jednom mjestu u istom kvantnom stanju. Zato se u jednoj “podljusci” (orbitali) mogu nalaziti samo 2 elektrona – jedan sa spinom up i jedan sa spinom down. Te spinove označavamo sa strelicama u “kućicama”. Hemičari to pišu ovako:
 
 

 

 

I tako, zbog kvantnih svojstava fermiona i statistike kojoj podliježu elektroni, elektroni nisu tek tako razbacani oko nukleusa atoma (kojeg, jelda, čine protoni i neutroni, osim kod atoma hidrogena koji u nukleusu nema neutron) nego popunjavaju prostor oko nukleusa nekim strogim redom.
 
Nakon ovog prvog izleta u svijet fizike i kvantnih čestica, vraćam se hemiji, da bih objasnila nešto što nam je bitno za fotosintezu. Trudiću se da što manje koristim jezik matematike, fizike i hemijske formule, kako vas ne bih vizuelno zamorila i prepala. Ali – bez obzira na to – morate znati da se fotosinteza zasniva na hemijskim zakonitostima, a ove opet na osobinama kvantnih čestica, a sve to se može opisati jedino na jeziku matematike.
 
Elektroni u posljednjem energetskom nivou vole “lutati” i znaju biti “mahalci”. Oni svašta rade – grade jonske i kovalentne veze, zatim metalne veze u kojima su delokalizovani između atoma metala, i tako slobodni mogu provoditi struju. Ponekad, ako su usamljeni, nađu sebi društvo nekog sasvim drugog atoma i pređu malo u “komšiluk”. Dakle, nakad neki atom može izgubiti elektrone, a neki drugi atom može “usvojiti” elektrone, primiti ih.
 
Svako gubljenje elektrona u hemiji jeste neka reakcija oksidacije, a svako primanje elektrona je redukcija. Meni je to lako bilo zapamtiti jer na engleskom je to “oxidation=loss of electrons” tj. “OLE”, uzvik koji toreador govori biku u koridi. 
 

Sad sam sve ovo morala opisati da bih mogla reći šta se dešava sa  molekulom hlorofila  pri fotosintezi. Molekula hlorofila se kod viših biljaka (alge, mahovine, paprati, cvjetnice) nalazi u tilakoidnoj membrani organele hloroplasta, a kod autotrofnih fotosintetskih bakterija (npr. kod cijanobakterija), koje nemaju organele, hlorofil se nalazi na fotosintetskoj membrani bakerijske stanice, unutar stanice.

 

Zeleni “balončići” na ovoj slici su hloroplasti – organele unutar biljne stanice koje sadrže hlorofil i u kojima se odvija proces fotosinteze
 
 
Bit cijele fotosinteze je da ovaj hlorofil izgubi elektron, da se oksiduje. Naravno, taj se izgubljeni elektron hlorofilu nadoknadi, pa reakcija kreće ispočetka. 
 
Da elektroni nisu fermioni, jedan elektron ne bi mogao tako lako napuštati neki atom i prelaziti na drugi. Da nije tako, ne bi bilo procesa oksidacije i redukcije. Da nema ovih reakcija (hemičari ih zovu redoks reakcije) – ne bi bilo hemijskih jedinjenja. Da nije toga – nikada ne bi bilo ne samo fotosinteze, nego bilo kakvog života. Sav metabolizam se zasniva na redoks reakcijama.
 
Dakle sad je stvar kako hlorofil izgubi elektron, kako se oksiduje i šta se dešava sa tim elektronom te kako hlorofil dobije novi elektron umjesto onog kojeg je izgubio. Za to mi treba dosta fizike, a vi ste se već umorili, pa ću ovdje stati. 
 
Idući post, treći nastavak serije o fotosintezi: “Barka na zelenom moru – kako svjetlost djeluje na hlorofil“.