Jak probíhá reakce fotosyntézy?
Podstatou fotosyntézy je, že energie viditelného světla se přeměňuje na
Jinými slovy, pomocí světelné energie tělo odděluje elektrony odmolekuly a přenášejí je na molekuly oxidu uhličitého, redukují je a přeměňují na molekuly organické hmoty, které pak mohou býtznovu oxidovat a získat energii.
Celý systém reakcí fotosyntézy rostlin v jednom schématu: 6СО2 + 6H2O = glukóza (С6H12О6) + 6О2
Jednou z klíčových fází tohoto komplexu avícestupňový proces - vazba oxidu uhličitého. Když k tomu dojde, je oxid uhličitý navázán na sloučeninu zvanou ribulóza (1,5) bisfosfát, cukr se dvěma fosfátovými skupinami.
A tato reakce je řízena enzymem – ribulózabisfosfátkarboxylázou, neboli Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO je enzym, který je kompletním komplexem 16 proteinových řetězců najednou.Většina enzymů katalyzuje tisíce chemických přeměn každou sekundu.
Rubisco však zvládá pouze 3 až 10molekuly oxidu uhličitého, v závislosti na podmínkách. Tak nízkou kvalitu enzymu lze kompenzovat pouze jeho množstvím: hmotnostně tvoří až 30% všech ve vodě rozpustných rostlinných bílkovin, což z něj činí nejhojnější protein na planetě.
Chloroplasty v listových buňkách
Typy fotosyntézy
Živé organismy mají dva druhy pigmentů, které mohou plnit funkci fotosyntetických přijímačů (antén).
У подавляющего большинства организмов роль антенн hrají chlorofyly; méně častý je případ, kdy retinal derivátu vitaminu A slouží jako anténa. V souladu s tím se rozlišuje fotosyntéza bez chlorofylu a bez chlorofylu.
- Fotosyntéza bez chlorofylu
Fotosyntéza bez chlorofylu je jinávýznamná jednoduchost organizace, v souvislosti s níž se evolučně předpokládá, že je to primární mechanismus pro ukládání energie elektromagnetického záření. Účinnost fotosyntézy bez chlorofylu jako mechanismu přeměny energie je relativně nízká (na jedno absorbované kvantum se přenáší pouze jedno H +).
- Fotosyntéza chlorofylu
Fotosyntéza chlorofylu se liší odbakteriorhodopsin s výrazně vyšší účinností skladování energie. Do každého efektivně absorbovaného kvanta záření proti gradientu je přenesen alespoň jeden H +.
Anoxygenní
Anoxygenní (nebo anoxická) fotosyntéza probíhá bez vývoje kyslíku. Fialové a zelené bakterie, stejně jako heliobacteria, jsou schopné anoxygenní fotosyntézy.
Kyslíkový
Kyslíková nebo kyslíková fotosyntézadoprovázené uvolňováním kyslíku jako vedlejšího produktu. Při kyslíkové fotosyntéze dochází k necyklickému přenosu elektronů, i když za určitých fyziologických podmínek dochází pouze k cyklickému transportu elektronů. Extrémně slabý donor elektronů, voda, se používá jako donor elektronů v necyklickém toku.
Hlad v zemědělství
Světová populace, navzdory druhémudemografický přechod neustále roste. Pokud bychom mohli plodnost libovolně zvyšovat úměrně růstu populace, nebyl by velký problém.
Dnes však lidé ovládají zhruba třetinupůdy vhodné pro zemědělství. Téměř všechna vhodná území v jižní Asii, na Středním východě a v Severní Americe jsou již zorána a zástavba zbývajících oblastí nám hrozí erozí.
Místo na planetě může jednoduše dojít, takže musíme najít nové způsoby, jak zvýšit produkci potravin. To již bylo provedeno dříve.
Naposledy se to stalo kvůli „zelenirevoluce “50–70 let minulého století. Poté šlechtění nových vysoce výnosných odrůd obilovin, zavedení pesticidů a pokročilé zavlažovací systémy umožnily dramaticky - téměř dvakrát - zvýšit výnos.
Jak urychlit fotosyntézu
Základním kamenem tohoto problému je rubisco, enzym, o kterém jsme již hovořili.
Ukázalo se však, že to není tak snadné. Řízená mutageneze jednotlivých aminokyselinových zbytků nevedla k žádným znatelným výsledkům.
I na něj byla aplikována metoda přímé evoluce.enzymy: vytváří obrovskou sbírku variant genu Rubisco zavedením náhodných mutací. Celá tato odrůda byla použita na E. coli - Escherichia coli... Pomocí tohoto přístupu byli vědci schopni zvýšit aktivitu sinic Rubisco, který funguje skvěle v buňkách E. coli.
Ale podobná metoda nefungovala u rostlin.Tento enzym je navíc sestaven z částí dvou různých „výrobců“: geny kódující řetězce Rubisco se nacházejí nejen v buněčném jádře, ale také v genomu chloroplastů, což komplikuje jejich manipulaci. Výzkumníci musí pracovat se dvěma genomy najednou, za použití různých technik genetické modifikace.
Vědci se ale nevzdali.Přišli s novým nápadem: zvýšit množství rubiska, protože listy rostlin jsou jím doslova plné. K tomu autoři použili metody GMO. Samotná nadexprese genů Rubisco však nestačila - K sestavení enzymu chybělo ještě něco.
Za ta léta se ukázalo, že ve shromážděníRubisco se účastní několika proteinových baličů - RAF1 a RAF2 (montážní faktor RuBisCO). Tyto skládací proteiny (nazývané chaperony) mají tendenci stabilizovat sklizený proteinový řetězec během montáže, což mu dává čas na správné složení.
Toto byl problém s předchozími díly:Geny Rubisco skutečně aktivně syntetizovaly proteinové „stavební bloky“ enzymu, ale nedostatek chaperonů neumožnil sestavení dostatečného množství Rubisco z polotovarů polypeptidových řetězců. Bylo také potřeba zvýšit počet gardistů.
Autoři proto zohlednili tyto podmínky a v důsledku toho se celkový obsah rubisca v listech transgenní kukuřice zvýšil o 30%.
Z tohoto důvodu není všechen další enzym vůbecse zapojil do procesu fotosyntézy. Navzdory všemu však konečná fixace oxidu uhličitého stejně vzrostla o 15%, což výrazně urychlilo růst GM kukuřice.
V důsledku studie čínských vědců v roce 2020 bylo možné urychlit fotosyntézu řas a květin. Vědci urychlují fotosyntézu zelených řasChlorella pyrenoidosaa vyšší rostlinyArabidopsis thalianapomocí světlosběrného polymeru. Polymer zvýšil jejich aktivitu ve fotosyntetických systémech díky elektrostatické a hydrofobní vazbě na stěny fotosyntetických buněk.
Podle autorů díky dobré schopnostiAby absorbovaly zelené světlo, rozpustnost ve vodě a biokompatibilitu, jsou tyto syntetické polymery potenciálně vhodné pro použití při výrobě biopaliv, stejně jako pro energetický a environmentální rozvoj.
Závěr
V současné době fotovoltaické články,působí ve vodném prostředí, jsou účinné, ale zjevně nedokonalé. Umělá fotosyntéza je stále docela účinná jako nástroj pro vazbu atmosférického uhlíku a současně produkuje stabilní tok nabitých částic (protonů a elektronů).
Fotosyntetické články by tedy bylo možné kombinovat se solárními panely - například již instalovanými na střechách soukromých domů ve Spojených státech.
Solární baterie by mohla něco rozdatenergie přijatá pro elektrolýzu. V tomto případě by se na něj napojené fotovoltaické články podílely na vázání oxidu uhličitého a štěpení vody za vzniku vodíku, což je zase ekologické palivo.
Vývoj katalyzátorů pro tyto procesyby nám umožnil neomezit se na reprodukci běžné fotosyntézy, ale syntetizovat například bílkoviny nebo enzymy. Již jsme se naučili, jak škálovat solární panely, takže bychom s nimi mohli škálovat i fotovoltaické články.
Tyto technologie by také mohly přispět k rozkladu toxického odpadu nebo plastů a jako výstup by poskytly vodík a energii.
Přečtěte si více:
Obří ledovec A74 se střetává s pobřežím Antarktidy
V Číně byly objeveny dva nové druhy dinosaurů
Co je Kesslerův efekt a také kdy a k čemu povede srážka satelitů na oběžné dráze?