Hvordan foregår fotosyntesereaktionen?
Essensen af fotosyntese er, at energien af synligt lys omdannes til
Med andre ord, ved hjælp af lysenergi kroppenfjerner elektroner fra molekylet og overfører dem til kuldioxidmolekyler, reducerer dem og omdanner dem til molekyler af organisk stof, som derefter kan oxideres igen og opnå energi.
Hele systemet med plantefotosyntesereaktioner i ét skema: 6СО2 + 6H2O = glucose (С6H12О6) + 6О2
En af de vigtigste faser af dette kompleks ogflertrinsproces - binding af kuldioxid. Når dette sker, bindes kuldioxid til en forbindelse kaldet ribulose (1,5) bisphosphat, et sukker med to fosfatgrupper.
Og denne reaktion er styret af et enzym - ribulosebisphosphatcarboxylase eller Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO er et enzym, der er et komplet kompleks af 16 proteinkæder på én gang. De fleste enzymer katalyserer tusindvis af kemiske transformationer hvert sekund.
Rubisco håndterer dog kun 3 til 10kuldioxidmolekyler afhængigt af forholdene. En sådan lav kvalitet af enzymet kan kun kompenseres for dets mængde: i vægt udgør det op til 30% af alle vandopløselige planteproteiner, hvilket gør det til det mest rigelige protein på planeten.
Kloroplaster i bladceller
Typer af fotosyntese
Levende organismer har to typer pigmenter, der kan udføre funktionen som fotosyntetiske modtagere (antenner).
I langt de fleste organismer er antennernes rolleklorofyl spiller; mindre almindeligt er det tilfælde, hvor vitamin A -derivatet nethinden fungerer som en antenne. I overensstemmelse hermed skelnes klorofyl og klorofylfri fotosyntese.
- Klorofylfri fotosyntese
Det klorofylfrie fotosyntesesystem er anderledesbetydelig enkelhed i organisationen, i forbindelse med hvilken det evolutionært antages at være den primære mekanisme til lagring af energien fra elektromagnetisk stråling. Effektiviteten af klorofylfri fotosyntese som en mekanisme til energiomsætning er relativt lav (kun én H + overføres pr. Absorberet kvante).
- Klorofyl fotosyntese
Klorofylfotosyntese er forskellig frabacteriorhodopsin med betydeligt højere energilagringseffektivitet. Mindst ét H + overføres til hver effektivt absorberet kvantitet af stråling mod gradienten.
Anoxygen
Anoxygen (eller anoksisk) fotosyntese forekommer uden iltudvikling. Lilla og grønne bakterier, samt heliobakterier, er i stand til anoxygen fotosyntese.
Oxygenisk
Oxygenisk eller oxygenisk fotosynteseledsaget af frigivelse af ilt som et biprodukt. Ved oxygenisk fotosyntese forekommer ikke-cyklisk elektrontransport, selvom der under visse fysiologiske forhold kun sker cyklisk elektrontransport. En ekstremt svag elektrondonor, vand, bruges som elektrondonor i en ikke-cyklisk strøm.
Sult i landbruget
Verdens befolkning, trods den andenden demografiske overgang vokser konstant. Hvis vi kunne øge fertiliteten efter behag i forhold til befolkningstilvæksten, ville der ikke være det store problem.
Men i dag har folk mestret omkring en tredjedelarealer, der egner sig til landbrug. Næsten alle egnede områder i Sydasien, Mellemøsten og Nordamerika er allerede blevet pløjet, og udviklingen af de resterende områder truer os med erosion.
Stedet på planeten kan simpelthen løbe tør, så vi skal finde nye måder at øge fødevareproduktionen på. Dette er allerede gjort før.
Sidste gang dette skete, skyldtes den "grønnerevolution "50-70-erne i det sidste århundrede. Derefter har avl af nye højtydende kornarter, introduktion af pesticider og avancerede kunstvandingssystemer gjort det muligt dramatisk - næsten to gange - at øge udbyttet.
Sådan fremskyndes fotosyntesen
Hjørnestenen i dette problem er rubisco, et enzym, vi allerede har diskuteret.
Dette viste sig dog ikke at være så let. Direktiv mutagenese af individuelle aminosyrerester førte ikke til nogen mærkbare resultater.
Metoden med direkte evolution blev også anvendt på ham.enzymer: det skaber en enorm samling af Rubisco-genvarianter ved at introducere tilfældige mutationer. Hele denne sort blev brugt på E. coli - Escherichia coli... Ved hjælp af denne fremgangsmåde var forskerne i stand til at øge aktiviteten af Rubisco cyanobakterier, som fungerer godt i E. coli -celler.
Men en lignende metode virkede ikke med planter.Derudover er dette enzym samlet fra dele af to forskellige "producenter": generne, der koder for Rubisco-kæderne, er ikke kun placeret i cellekernen, men også i kloroplastgenomet, hvilket komplicerer deres manipulation. Forskere skal arbejde med to genomer på én gang ved at bruge forskellige genetiske modifikationsteknikker.
Men forskerne gav ikke op.De kom op med en ny idé: at øge mængden af rubisco, da planternes blade bogstaveligt talt er fyldt med det. For at gøre dette brugte forfatterne GMO-metoder. Overekspression af Rubisco-gener alene var dog ikke nok - Der manglede noget andet for at samle enzymet.
Gennem årene viste det sig, at i forsamlingenRubisco deltager i flere proteinpakker - RAF1 og RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Disse foldeproteiner (kaldet chaperones) har en tendens til at stabilisere den høstede proteinkæde under samling, hvilket giver det tid til at folde korrekt.
Dette var problemet med tidligere værker:Rubisco-gener syntetiserede faktisk aktivt proteinets "byggesten" af enzymet, men manglen på chaperoner tillod ikke samlingen af en tilstrækkelig mængde Rubisco fra halvfærdige polypeptidkæder. Antallet af chaperoner skulle også øges.
Derfor tog forfatterne disse betingelser i betragtning, og som følge heraf steg det samlede rubisco -indhold i bladene af transgen majs med 30%.
På grund af dette er ikke alt det ekstra enzym overhovedetblev involveret i processen med fotosyntese. På trods af alt voksede den endelige fiksering af kuldioxid alligevel med 15%, hvilket fremskyndede væksten af GM -majs betydeligt.
Som et resultat af en undersøgelse foretaget af kinesiske videnskabsmænd i 2020 var det muligt at fremskynde fotosyntesen af alger og blomster. Forskere fremskynder fotosyntesen af grønne algerChlorella pyrenoidosaog højere planterArabidopsis thalianaved hjælp af en lys-høstende polymer. Polymeren øgede deres aktivitet i fotosyntetiske systemer på grund af elektrostatisk og hydrofob binding til væggene i fotosyntetiske celler.
Ifølge forfatterne, takket være den gode evnefor at absorbere grønt lys, vandopløselighed og biokompatibilitet er disse syntetiske polymerer potentielt egnede til brug ved produktion af biobrændstoffer samt energi og miljøudvikling.
konklusion
I øjeblikket fotovoltaiske celler,de virker i et vandigt miljø, de er effektive, men klart ufuldkomne. Kunstig fotosyntese er stadig ret effektiv som et værktøj til binding af atmosfærisk kulstof og producerer samtidig en stabil strøm af ladede partikler (protoner og elektroner).
Således kunne fotosyntetiske celler kombineres med solpaneler - for eksempel allerede installeret på tagene på private huse i USA.
Solbatteriet kunne give væk nogleenergi modtaget til elektrolyse. I dette tilfælde ville fotovoltaiske celler, der er tilsluttet den, deltage i bindingen af kuldioxid og spaltning af vand for at producere brint, som igen er et miljøvenligt brændstof.
Udvikling af katalysatorer til sådanne processerville give os mulighed for ikke at begrænse os til at reproducere almindelig fotosyntese, men til at syntetisere for eksempel proteiner eller enzymer. Vi har allerede lært, hvordan man skalerer solpaneler, så vi kunne skalere solcelleceller sammen med dem.
Sådanne teknologier kan også bidrage til nedbrydning af giftigt affald eller plast, hvilket giver brint og energi som output.
Læs mere:
Kæmpe isbjerg A74 kolliderer med Antarktis kyst
To nye dinosaurarter opdaget i Kina
Hvad er Kessler -effekten, og også hvornår og hvad vil kollisionen af satellitter i kredsløb føre til?