Wie läuft die Photosynthesereaktion ab?
Das Wesen der Photosynthese besteht darin, dass die Energie des sichtbaren Lichts in umgewandelt wird
Mit anderen Worten, mit Hilfe von Lichtenergie wird der Körper aktiviertEntzieht dem Molekül Elektronen und überträgt sie auf Kohlendioxidmoleküle, reduziert sie und wandelt sie in Moleküle organischer Materie um, die dann wieder oxidiert werden können, um Energie zu gewinnen.
Das gesamte System der pflanzlichen Photosynthesereaktionen in einem Schema: 6СО2 + 6H2O = Glucose (С6H12О6) + 6О2
Eine der Schlüsselphasen dieses Komplexes undmehrstufiger Prozess - Bindung von Kohlendioxid. Dabei wird Kohlendioxid an eine Verbindung namens Ribulose (1,5)-Bisphosphat gebunden, ein Zucker mit zwei Phosphatgruppen.
Und diese Reaktion wird von einem Enzym gesteuert – Ribulosebisphosphatcarboxylase oder Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO ist ein Enzym, das einen vollständigen Komplex aus 16 Proteinketten gleichzeitig darstellt. Die meisten Enzyme katalysieren jede Sekunde Tausende chemischer Umwandlungen.
Rubisco verarbeitet jedoch nur 3 bis 10Kohlendioxidmoleküle, je nach Bedingungen. Eine derart geringe Qualität des Enzyms kann nur durch seine Quantität ausgeglichen werden: Nach Gewicht macht es bis zu 30 % aller wasserlöslichen Pflanzenproteine aus und ist damit das am häufigsten vorkommende Protein der Erde.
Chloroplasten in Blattzellen
Arten der Photosynthese
Lebende Organismen verfügen über zwei Arten von Pigmenten, die die Funktion von Photosyntheseempfängern (Antennen) übernehmen können.
In der überwiegenden Mehrheit der Organismen ist die Rolle von AntennenChlorophylle spielen; weniger häufig ist der Fall, bei dem das Vitamin-A-Derivat Retinal als Antenne dient. Dementsprechend werden Chlorophyll und chlorophyllfreie Photosynthese unterschieden.
- Chlorophyllfreie Photosynthese
Das chlorophyllfreie Photosynthesesystem ist anderssignifikante Einfachheit der Organisation, in deren Zusammenhang angenommen wird, dass sie evolutionär der primäre Mechanismus zur Speicherung der Energie elektromagnetischer Strahlung ist. Die Effizienz der chlorophyllfreien Photosynthese als Mechanismus der Energieumwandlung ist relativ gering (pro absorbiertem Quant wird nur ein H + übertragen).
- Chlorophyll-Photosynthese
Chlorophyll-Photosynthese ist anders alsBakteriorhodopsin mit deutlich höherer Energiespeichereffizienz. Auf jedes effektiv absorbierte Strahlungsquant wird mindestens ein H + gegen den Gradienten übertragen.
Anoxygen
Anoxygene (oder anoxische) Photosynthese findet ohne Sauerstoffentwicklung statt. Violette und grüne Bakterien sowie Heliobakterien sind zur anoxygenen Photosynthese fähig.
Sauerstoff
Sauerstoff- oder sauerstoffhaltige Photosynthesebegleitet von der Freisetzung von Sauerstoff als Nebenprodukt. Bei der sauerstoffhaltigen Photosynthese findet ein nichtzyklischer Elektronentransport statt, obwohl unter bestimmten physiologischen Bedingungen nur ein zyklischer Elektronentransport stattfindet. Als Elektronendonator wird in einem nichtzyklischen Fluss ein extrem schwacher Elektronendonator, Wasser, verwendet.
Hunger in der Landwirtschaft
Die Weltbevölkerung trotz der zweitenDer demografische Wandel nimmt stetig zu. Wenn wir die Fruchtbarkeit im Verhältnis zum Bevölkerungswachstum beliebig steigern könnten, gäbe es kein großes Problem.
Heute beherrschen die Menschen jedoch etwa ein DrittelFlächen, die für die Landwirtschaft geeignet sind. Fast alle geeigneten Gebiete in Südasien, dem Nahen Osten und Nordamerika sind bereits umgepflügt, und die Erschließung der verbleibenden Gebiete droht uns mit Erosion.
Der Platz auf dem Planeten mag einfach knapp werden, also müssen wir neue Wege finden, um die Nahrungsmittelproduktion zu steigern. Dies wurde bereits früher getan.
Das letzte Mal geschah dies aufgrund der "grünen"Revolution "50-70-er des letzten Jahrhunderts. Die Züchtung neuer ertragreicher Getreidesorten, die Einführung von Pestiziden und fortschrittliche Bewässerungssysteme ermöglichten dann eine dramatische - fast doppelte - Steigerung des Ertrags.
So beschleunigen Sie die Photosynthese
Der Grundstein für dieses Problem ist Rubisco, ein Enzym, das wir bereits besprochen haben.
Dies erwies sich jedoch als gar nicht so einfach. Die gezielte Mutagenese einzelner Aminosäurereste führte zu keinen nennenswerten Ergebnissen.
Auch bei ihm wurde die Methode der direkten Evolution angewendet.Enzyme: Durch die Einführung zufälliger Mutationen entsteht eine riesige Sammlung von Rubisco-Genvarianten. Alle diese Sorten wurden bei E. coli eingesetzt - Escherichia coli... Mit diesem Ansatz konnten die Forscher die Aktivität von Rubisco-Cyanobakterien steigern, die in E. coli-Zellen hervorragend funktionieren.
Aber eine ähnliche Methode funktionierte bei Pflanzen nicht.Darüber hinaus ist dieses Enzym aus Teilen zweier unterschiedlicher „Hersteller“ zusammengesetzt: Die Gene, die für die Rubisco-Ketten kodieren, befinden sich nicht nur im Zellkern, sondern auch im Chloroplasten-Genom, was ihre Manipulation erschwert. Forscher müssen mit zwei Genomen gleichzeitig arbeiten und dabei unterschiedliche genetische Modifikationstechniken anwenden.
Doch die Wissenschaftler gaben nicht auf.Sie hatten eine neue Idee: die Menge an Rubisco zu erhöhen, da die Blätter der Pflanzen buchstäblich damit gefüllt sind. Dazu verwendeten die Autoren GVO-Methoden. Allerdings reichte die Überexpression der Rubisco-Gene allein nicht aus – Etwas anderes fehlte, um das Enzym zusammenzubauen.
Im Laufe der Jahre stellte sich heraus, dass in der MontageRubisco nimmt an mehreren Proteinpackern teil - RAF1 und RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Diese Faltungsproteine (genannt Chaperone) neigen dazu, die geerntete Proteinkette während des Zusammenbaus zu stabilisieren, sodass sie Zeit hat, sich richtig zu falten.
Dies war das Problem bei früheren Arbeiten:Rubisco-Gene synthetisierten tatsächlich aktiv die Protein-„Bausteine“ des Enzyms, aber das Fehlen von Chaperonen ermöglichte nicht den Aufbau einer ausreichenden Menge Rubisco aus halbfertigen Polypeptidketten. Auch die Zahl der Begleitpersonen musste erhöht werden.
Daher haben die Autoren diesen Bedingungen Rechnung getragen und der Gesamt-Rubisco-Gehalt in den Blättern von transgenem Mais um 30 % erhöht.
Aus diesem Grund ist nicht das gesamte zusätzliche Enzym vorhandenwurde in den Prozess der Photosynthese involviert. Aber trotz allem wuchs die endgültige Fixierung von Kohlendioxid ohnehin um 15 %, was das Wachstum von gv-Mais deutlich beschleunigte.
Als Ergebnis einer Studie chinesischer Wissenschaftler aus dem Jahr 2020 gelang es, die Photosynthese von Algen und Blumen zu beschleunigen. Wissenschaftler beschleunigen die Photosynthese von GrünalgenChlorella pyrenoidosaund höhere PflanzenArabidopsis thalianaunter Verwendung eines lichtsammelnden Polymers. Das Polymer steigerte deren Aktivität in Photosynthesesystemen aufgrund der elektrostatischen und hydrophoben Bindung an die Wände der Photosynthesezellen.
Laut den Autoren dank der guten Fähigkeitzur Absorption von grünem Licht, Wasserlöslichkeit und Biokompatibilität sind diese synthetischen Polymere potenziell für den Einsatz bei der Herstellung von Biokraftstoffen sowie für die Energie- und Umweltentwicklung geeignet.
Fazit
Derzeit sind Photovoltaikzellen,in wässriger Umgebung wirkend, sind sie effizient, aber eindeutig unvollkommen. Die künstliche Photosynthese ist als Werkzeug zur Bindung von atmosphärischem Kohlenstoff immer noch recht effektiv und erzeugt gleichzeitig einen stabilen Fluss geladener Teilchen (Protonen und Elektronen).
So könnten Photosynthesezellen mit Sonnenkollektoren kombiniert werden – zum Beispiel bereits auf den Dächern von Privathäusern in den USA installiert.
Die Solarbatterie könnte einiges verschenkenEnergie, die für die Elektrolyse gewonnen wird. In diesem Fall wären daran angeschlossene Photovoltaikzellen an der Bindung von Kohlendioxid und der Spaltung von Wasser beteiligt, um Wasserstoff zu erzeugen, der wiederum ein umweltfreundlicher Kraftstoff ist.
Entwicklung von Katalysatoren für solche Prozessewürde es uns ermöglichen, uns nicht auf die Reproduktion der gewöhnlichen Photosynthese zu beschränken, sondern beispielsweise Proteine oder Enzyme zu synthetisieren. Wir haben bereits gelernt, wie man Solarpaneele skaliert, sodass wir damit auch Photovoltaikzellen skalieren können.
Außerdem könnten solche Technologien zur Zersetzung von Giftmüll oder Plastik beitragen, wodurch Wasserstoff und Energie als Output gewonnen werden.
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