Comment se déroule la réaction de photosynthèse ?
L'essence de la photosynthèse est que l'énergie de la lumière visible est convertie en
En d’autres termes, grâce à l’énergie lumineuse, le corpsélimine les électrons de la molécule et les transfère aux molécules de dioxyde de carbone, les réduit et les transforme en molécules de matière organique, qui peuvent ensuite être à nouveau oxydées, obtenant de l'énergie.
L'ensemble du système de réactions de photosynthèse des plantes dans un schéma : 6СО2 + 6H2O = glucose (С6H12О6) + 6О2
L'une des étapes clés de ce complexe etprocessus en plusieurs étapes - liaison du dioxyde de carbone. Lorsque cela se produit, le dioxyde de carbone est lié à un composé appelé ribulose (1,5) bisphosphate, un sucre avec deux groupes phosphate.
Et cette réaction est dirigée par une enzyme - la ribulose bisphosphate carboxylase, ou Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO est une enzyme qui est un complexe complet de 16 chaînes protéiques à la fois. La plupart des enzymes catalysent des milliers de transformations chimiques chaque seconde.
Cependant, Rubisco ne gère que 3 à 10molécules de dioxyde de carbone, selon les conditions. Une si faible qualité de l'enzyme ne peut être compensée que par sa quantité : en poids, elle représente jusqu'à 30 % de toutes les protéines végétales hydrosolubles, ce qui en fait la protéine la plus abondante de la planète.
Chloroplastes dans les cellules des feuilles
Types de photosynthèse
Les organismes vivants possèdent deux types de pigments qui peuvent remplir la fonction de récepteurs photosynthétiques (antennes).
Dans la grande majorité des organismes, le rôle des antennesles chlorophylles jouent ; moins fréquent est le cas dans lequel le dérivé de vitamine A rétinien sert d'antenne. Conformément à cela, on distingue la chlorophylle et la photosynthèse sans chlorophylle.
- Photosynthèse sans chlorophylle
Le système de photosynthèse sans chlorophylle est différentune grande simplicité d'organisation, en relation avec laquelle il est supposé évolutif être le principal mécanisme de stockage de l'énergie du rayonnement électromagnétique. L'efficacité de la photosynthèse sans chlorophylle en tant que mécanisme de conversion d'énergie est relativement faible (un seul H + est transféré par quantum absorbé).
- Photosynthèse de la chlorophylle
La photosynthèse de la chlorophylle est différente debactériorhodopsine avec une efficacité de stockage d'énergie significativement plus élevée. Au moins un H + est transféré à chaque quantum de rayonnement effectivement absorbé contre le gradient.
Anoxygénique
La photosynthèse anoxygénique (ou anoxique) se produit sans dégagement d'oxygène. Les bactéries violettes et vertes, ainsi que les héliobactéries, sont capables d'une photosynthèse anoxygénique.
Oxygène
Photosynthèse oxygénique ou oxygénéeaccompagnée d'un dégagement d'oxygène en tant que sous-produit. Dans la photosynthèse oxygénée, il se produit un transport d'électrons non cyclique, bien que dans certaines conditions physiologiques, seul un transport d'électrons cyclique se produise. Un donneur d'électrons extrêmement faible, l'eau, est utilisé comme donneur d'électrons dans un flux non cyclique.
La faim dans l'agriculture
La population mondiale, malgré le deuxièmela transition démographique ne cesse de s’accentuer. Si nous pouvions augmenter la fécondité à volonté proportionnellement à la croissance démographique, il n’y aurait pas vraiment de problème.
Cependant, aujourd’hui, les gens maîtrisent environ un tiersdes terres propices à l'agriculture. Presque tous les territoires appropriés d'Asie du Sud, du Moyen-Orient et d'Amérique du Nord ont déjà été labourés, et le développement des zones restantes nous menace d'érosion.
La place sur la planète peut tout simplement s'épuiser, nous devons donc trouver de nouvelles façons d'augmenter la production alimentaire. Cela a déjà été fait auparavant.
La dernière fois que cela s'est produit, c'était à cause du « vertrévolution "50-70-s du siècle dernier. Ensuite, la sélection de nouvelles variétés de céréales à haut rendement, l'introduction de pesticides et de systèmes d'irrigation avancés ont permis d'augmenter considérablement - presque deux fois - le rendement.
Comment accélérer la photosynthèse
La pierre angulaire de ce problème est le rubisco, une enzyme dont nous avons déjà parlé.
Cependant, cela s'est avéré pas si simple. La mutagenèse dirigée de résidus d'acides aminés individuels n'a conduit à aucun résultat notable.
La méthode de l'évolution directe lui a également été appliquée.enzymes : il crée une énorme collection de variantes du gène Rubisco en introduisant des mutations aléatoires. Toute cette variété a été utilisée sur E. coli - Escherichia coli... En utilisant cette approche, les chercheurs ont pu augmenter l'activité des cyanobactéries Rubisco, qui fonctionnent très bien dans les cellules d'E. coli.
Mais une méthode similaire n’a pas fonctionné avec les plantes.De plus, cette enzyme est assemblée à partir de pièces de deux « fabricants » différents : les gènes codant pour les chaînes Rubisco sont situés non seulement dans le noyau cellulaire, mais aussi dans le génome chloroplastique, ce qui complique leur manipulation. Les chercheurs doivent travailler avec deux génomes à la fois, en utilisant différentes techniques de modification génétique.
Mais les scientifiques n’ont pas abandonné.Ils ont eu une nouvelle idée : augmenter la quantité de rubisco, puisque les feuilles des plantes en sont littéralement remplies. Pour ce faire, les auteurs ont utilisé des méthodes OGM. Cependant, la surexpression des gènes Rubisco à elle seule ne suffisait pas - Il manquait autre chose pour assembler l’enzyme.
Au fil des ans, il s'est avéré que dans l'assembléeRubisco participe à plusieurs packers de protéines - RAF1 et RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Ces protéines de repliement (appelées chaperons) ont tendance à stabiliser la chaîne protéique récoltée lors de l'assemblage, lui donnant le temps de se replier correctement.
C'était le problème des travaux précédents :Les gènes Rubisco synthétisent en fait activement les « éléments constitutifs » protéiques de l'enzyme, mais le manque de chaperons n'a pas permis l'assemblage d'une quantité suffisante de Rubisco à partir de chaînes polypeptidiques semi-finies. Le nombre d'accompagnateurs devait également être augmenté.
Par conséquent, les auteurs ont pris en compte ces conditions et, en conséquence, la teneur totale en rubisco des feuilles de maïs transgénique a augmenté de 30%.
Pour cette raison, toute l'enzyme supplémentaire n'est pas du toutest devenu impliqué dans le processus de photosynthèse. Cependant, malgré tout, la fixation finale du dioxyde de carbone a augmenté de 15 % quand même, ce qui a considérablement accéléré la croissance du maïs GM.
Grâce à une étude menée par des scientifiques chinois en 2020, il a été possible d'accélérer la photosynthèse des algues et des fleurs. Des scientifiques accélèrent la photosynthèse des algues vertesChlorella pyrenoidosaet plantes supérieuresArabidopsis thalianaen utilisant un polymère captant la lumière. Le polymère a augmenté son activité dans les systèmes photosynthétiques en raison de sa liaison électrostatique et hydrophobe aux parois des cellules photosynthétiques.
Selon les auteurs, grâce à la bonne capacitépour absorber la lumière verte, la solubilité dans l'eau et la biocompatibilité, ces polymères synthétiques sont potentiellement adaptés à une utilisation dans la production de biocarburants, ainsi que dans le développement énergétique et environnemental.
Conclusion
Actuellement, les cellules photovoltaïques,agissant en milieu aqueux, ils sont efficaces, mais clairement imparfaits. La photosynthèse artificielle est encore assez efficace comme outil de fixation du carbone atmosphérique et produit en même temps un flux stable de particules chargées (protons et électrons).
Ainsi, les cellules photosynthétiques pourraient être associées à des panneaux solaires - par exemple, déjà installés sur les toits des maisons privées aux États-Unis.
La batterie solaire pourrait en donnerénergie reçue pour l’électrolyse. Dans ce cas, les cellules photovoltaïques qui y sont connectées participeraient à la fixation du dioxyde de carbone et à la décomposition de l'eau pour produire de l'hydrogène, qui, à son tour, est un carburant respectueux de l'environnement.
Développement de catalyseurs pour de tels procédéspermettrait de ne pas se limiter à reproduire la photosynthèse ordinaire, mais de synthétiser, par exemple, des protéines ou des enzymes. Nous avons déjà appris à mettre à l'échelle des panneaux solaires afin de pouvoir mettre à l'échelle des cellules photovoltaïques en même temps.
En outre, ces technologies pourraient contribuer à la décomposition des déchets toxiques ou du plastique, produisant de l'hydrogène et de l'énergie.
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