Как протича реакцията на фотосинтезата?
Същността на фотосинтезата е, че енергията на видимата светлина се превръща в
С други думи, с помощта на светлинна енергия тялотопремахва електроните от молекулата и ги прехвърля към молекулите на въглеродния диоксид, редуцира ги и ги превръща в молекули на органична материя, които след това могат да бъдат окислени отново, получаване на енергия.
Цялата система от реакции на фотосинтеза на растенията в една схема: 6СО2 + 6Н2О = глюкоза (С6Н12О6) + 6О2
Един от ключовите етапи на този комплекс имногоетапен процес - свързване на въглероден диоксид. Когато това се случи, въглеродният диоксид е прикрепен към съединение, наречено рибулоза (1,5) бисфосфат, захар с две фосфатни групи.
И тази реакция се ръководи от ензим - рибулоза бифосфат карбоксилаза, или Рубиско (RuBisCO).
RuBisCO е ензим, който е пълен комплекс от 16 протеинови вериги наведнъж. Повечето ензими катализират хиляди химични трансформации всяка секунда.
Въпреки това, Rubisco се справя само с 3 до 10молекули въглероден диоксид, в зависимост от условията. Такова ниско качество на ензима може да бъде компенсирано само с неговото количество: теглото представлява до 30% от всички водоразтворими растителни протеини, което го прави най-разпространеният протеин на планетата.
Хлоропласти в листните клетки
Видове фотосинтеза
Живите организми имат два вида пигменти, които могат да изпълняват функцията на фотосинтетични приемници (антени).
В по -голямата част от организмите ролята на антенитеиграят хлорофили; по -рядък е случаят, в който ретината на производно на витамин А служи като антена. В съответствие с това се разграничават фотосинтезата без хлорофил и без хлорофил.
- Фотосинтеза без хлорофил
Системата за фотосинтеза без хлорофил е различназначителна простота на организацията, във връзка с която се приема еволюционно като основен механизъм за съхранение на енергията на електромагнитното излъчване. Ефективността на фотосинтезата без хлорофил като механизъм за преобразуване на енергия е сравнително ниска (само един Н + се прехвърля на абсорбиран квант).
- Фотосинтеза на хлорофил
Фотосинтезата на хлорофил е различна отбактериородопсин със значително по -висока ефективност на съхранение на енергия. Най -малко един Н + се прехвърля към всеки ефективно погълнат квант радиация срещу градиента.
Аноксигенен
Аноксигенната (или аноксична) фотосинтеза протича без отделяне на кислород. Лилавите и зелените бактерии, както и хелиобактериите, са способни за аноксигенна фотосинтеза.
Кислородна
Кислородна или кислородна фотосинтезапридружено от отделянето на кислород като страничен продукт. При кислородната фотосинтеза се осъществява нецикличен електронен транспорт, въпреки че при определени физиологични условия се осъществява само цикличен електронен транспорт. Изключително слаб донор на електрони, вода, се използва като донор на електрони в нецикличен поток.
Гладът в селското стопанство
Населението на света, въпреки второтодемографският преход непрекъснато нараства. Ако можехме да увеличим плодовитостта по желание пропорционално на нарастването на населението, нямаше да има голям проблем.
Днес обаче хората са усвоили около една третаземи, подходящи за земеделие. Почти всички подходящи територии в Южна Азия, Близкия изток и Северна Америка вече са разорани, а развитието на останалите площи ни застрашава от ерозия.
Мястото на планетата може просто да се изчерпи, затова трябва да намерим нови начини за увеличаване на производството на храни. Това вече е правено и преди.
Последният път, когато това се случи, се дължи на „зелените“революция “50-70-те години на миналия век. След това, отглеждането на нови високодобивни сортове зърнени култури, въвеждането на пестициди и усъвършенстваните напоителни системи направиха възможно драстично - почти два пъти - увеличаване на добива.
Как да ускорим фотосинтезата
Крайъгълният камък на този проблем е рубиско, ензим, който вече обсъдихме.
Това обаче се оказа не толкова лесно. Насочената мутагенеза на отделни аминокиселинни остатъци не доведе до забележими резултати.
При него също е приложен методът на пряката еволюция.ензими: създава огромна колекция от варианти на Rubisco ген чрез въвеждане на произволни мутации. Цялото това разнообразие е използвано върху E. coli - Ешерихия коли... Използвайки този подход, изследователите успяха да увеличат активността на цианобактериите на Rubisco, които работят чудесно в клетките на Е. coli.
Но подобен метод не работи с растения.В допълнение, този ензим е сглобен от части на два различни „производителя“: гените, кодиращи веригите Rubisco, се намират не само в клетъчното ядро, но и в генома на хлоропласта, което усложнява манипулирането им. Изследователите трябва да работят с два генома наведнъж, като използват различни техники за генетична модификация.
Но учените не се отказаха.Те излязоха с нова идея: да увеличат количеството рубиско, тъй като листата на растенията са буквално пълни с него. За да направят това, авторите са използвали ГМО методи. Въпреки това свръхекспресията на Rubisco гените сама по себе си не е достатъчна - Нещо друго липсваше за сглобяването на ензима.
С годините се оказа, че в монтажаRubisco участва в няколко пакета на протеини - RAF1 и RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Тези сгъваеми протеини (наречени шаперони) са склонни да стабилизират събраната протеинова верига по време на сглобяването, давайки й време да се сгъне правилно.
Това беше проблемът с предишни работи:Гените на Rubisco всъщност активно синтезират протеиновите „градивни елементи“ на ензима, но липсата на шаперони не позволява сглобяването на достатъчно количество Rubisco от полуготови полипептидни вериги. Трябваше да се увеличи и броят на придружителите.
Следователно авторите са взели предвид тези условия и в резултат на това общото съдържание на рубиско в листата на трансгенна царевица се е увеличило с 30%.
Поради това изобщо не всички допълнителни ензими сасе включи в процеса на фотосинтеза. Въпреки всичко, окончателното фиксиране на въглеродния диоксид все пак нарасна с 15%, което значително ускори растежа на ГМ царевицата.
В резултат на проучване на китайски учени през 2020 г. беше възможно да се ускори фотосинтезата на водорасли и цветя. Учените ускоряват фотосинтезата на зелените водораслиChlorella pyrenoidosaи висши растенияArabidopsis thalianaизползвайки светлосъбиращ полимер. Полимерът повишава тяхната активност във фотосинтетичните системи поради електростатично и хидрофобно свързване към стените на фотосинтетичните клетки.
Според авторите, благодарение на добрата способностза да абсорбират зелена светлина, разтворимост във вода и биосъвместимост, тези синтетични полимери са потенциално подходящи за използване при производството на биогорива, както и за развитието на енергия и околната среда.
заключение
Понастоящем фотоволтаичните клетки,действайки във водна среда, те са ефективни, но очевидно несъвършени. Изкуствената фотосинтеза все още е доста ефективна като инструмент за свързване на атмосферния въглерод и в същото време произвежда стабилен поток от заредени частици (протони и електрони).
Така фотосинтетичните клетки биха могли да се комбинират със слънчеви панели - например вече инсталирани на покривите на частни къщи в САЩ.
Слънчевата батерия може да даде малкоенергия, получена за електролиза. В този случай свързаните с него фотоволтаични клетки биха участвали в свързването на въглероден диоксид и разделянето на водата за производство на водород, който от своя страна е екологично чисто гориво.
Разработване на катализатори за такива процесиби ни позволило да не се ограничаваме до възпроизвеждане на обикновена фотосинтеза, а да синтезираме например протеини или ензими. Вече се научихме как да мащабираме слънчеви панели, така че можем да мащабираме фотоволтаични клетки заедно с тях.
Също така, такива технологии биха могли да допринесат за разлагането на токсични отпадъци или пластмаса, давайки водород и енергия като продукция.
Прочетете още:
Гигантски айсберг A74 се сблъсква с брега на Антарктида
Два нови вида динозаври са открити в Китай
Какъв е ефектът на Кеслер, а също кога и до какво ще доведе сблъсъкът на спътници в орбита?