Kako se odvija reakcija fotosinteze?
Suština fotosinteze je da se energija vidljive svjetlosti pretvara u
Drugim riječima, uz pomoć svjetlosne energije, tijelo odvaja elektrone odmolekule i prenijeti ih na molekule ugljičnog dioksida, smanjujući ih i pretvarajući ih u molekule organske tvari, što onda može bitiponovno oksidirati, dobivajući energiju.
Cijeli sustav reakcija fotosinteze biljaka u jednoj shemi: 6SO2 + 6H2O = glukoza (S6H12O6) + 6O2
Jedna od ključnih faza ovog kompleksa ivišestepeni proces - vezivanje ugljičnog dioksida. Kada se to dogodi, ugljični dioksid vezan je za spoj koji se naziva ribuloza (1,5) bisfosfat, šećer s dvije fosfatne skupine.
A tu reakciju usmjerava enzim - ribuloza bisfosfat karboksilaza, odnosno rubisco (RuBisCO).
RuBisCO je enzim koji je kompletan kompleks od 16 proteinskih lanaca odjednom. Većina enzima katalizira tisuće kemijskih transformacija svake sekunde.
Međutim, Rubisco rukuje samo s 3 do 10molekule ugljičnog dioksida, ovisno o uvjetima. Tako niska kvaliteta enzima može se nadoknaditi samo njegovom količinom: po težini, on čini do 30% svih biljnih bjelančevina topljivih u vodi, što ga čini najrasprostranjenijim proteinom na planeti.
Kloroplasti u stanicama lišća
Vrste fotosinteze
Živi organizmi imaju dvije vrste pigmenata koji mogu obavljati funkciju fotosintetskih prijamnika (antena).
U velikoj većini organizama uloga antenaigraju klorofili; rjeđi je slučaj u kojem retinal derivata vitamina A služi kao antena. U skladu s tim razlikuje se fotosinteza bez klorofila i bez klorofila.
- Fotosinteza bez klorofila
Sustav fotosinteze bez klorofila je drugačijiznačajna jednostavnost organizacije, u vezi s kojom se evolucijski pretpostavlja da je primarni mehanizam za pohranu energije elektromagnetskog zračenja. Učinkovitost fotosinteze bez klorofila kao mehanizma za pretvorbu energije relativno je niska (prenosi se samo jedan H + po apsorbiranom kvantu).
- Fotosinteza klorofila
Fotosinteza klorofila razlikuje se odbacteriorhodopsin sa značajno većom učinkovitošću skladištenja energije. Najmanje jedan H + prenosi se na svaki učinkovito apsorbirani kvant zračenja protiv gradijenta.
Anoksigen
Anoksigena (ili anoksična) fotosinteza događa se bez razvoja kisika. Ljubičaste i zelene bakterije, kao i heliobakterije, sposobne su za anoksigenu fotosintezu.
Kiseonik
Kisična ili kisikova fotosintezapopraćeno oslobađanjem kisika kao nusprodukta. U kisikovoj fotosintezi događa se neciklički transport elektrona, iako se pod određenim fiziološkim uvjetima događa samo ciklički prijenos elektrona. Izuzetno slab donator elektrona, voda, koristi se kao donator elektrona u necikličkom toku.
Glad u poljoprivredi
Svjetsko stanovništvo, unatoč drugomdemografska tranzicija stalno raste. Kada bismo mogli po volji povećavati plodnost proporcionalno rastu stanovništva, ne bi bilo velikih problema.
Međutim, danas su ljudi svladali otprilike trećinuzemlje pogodne za poljoprivredu. Gotovo sva pogodna područja u Južnoj Aziji, Bliskom istoku i Sjevernoj Americi već su preorana, a razvojem preostalih područja prijeti nam erozija.
Mjesto na planeti može jednostavno nestati pa moramo pronaći nove načine za povećanje proizvodnje hrane. To je već učinjeno prije.
Posljednji put to se dogodilo zbog "zelene boje"revolucije "50-70-ih godina prošlog stoljeća. Zatim je uzgoj novih visokorodnih sorti žitarica, uvođenje pesticida i naprednih sustava navodnjavanja omogućilo dramatično - gotovo dvostruko - povećanje prinosa.
Kako ubrzati fotosintezu
Kamen temeljac ovog problema je rubisco, enzim o kojem smo već govorili.
No, pokazalo se da to nije tako jednostavno. Usmjerena mutageneza pojedinačnih aminokiselinskih ostataka nije dovela do zapaženih rezultata.
I kod njega je primijenjena metoda izravne evolucije.enzimi: stvara ogromnu zbirku varijanti Rubisco gena uvođenjem nasumičnih mutacija. Sva ta raznolikost korištena je na E. coli - Escherichia coli... Koristeći ovaj pristup, istraživači su uspjeli povećati aktivnost Rubisco cijanobakterija, koja odlično djeluje u stanicama E. coli.
Ali slična metoda nije uspjela s biljkama.Osim toga, ovaj enzim je sastavljen od dijelova dva različita "proizvođača": geni koji kodiraju Rubisco lance nalaze se ne samo u staničnoj jezgri, već iu genomu kloroplasta, što komplicira njihovu manipulaciju. Istraživači moraju raditi s dva genoma odjednom, koristeći različite tehnike genetske modifikacije.
No, znanstvenici nisu odustajali.Došli su na novu ideju: povećati količinu rubisca, budući da su listovi biljaka doslovno ispunjeni njime. Da bi to učinili, autori su koristili GMO metode. Međutim, samo prekomjerno izražavanje Rubisco gena nije bilo dovoljno - Još nešto je nedostajalo za sastavljanje enzima.
S godinama se pokazalo da je u skupštiniRubisco sudjeluje u nekoliko pakera za pakiranje proteina - RAF1 i RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Ovi sklopivi proteini (koji se nazivaju šaperoni) nastoje stabilizirati sakupljeni proteinski lanac tijekom sastavljanja, dajući mu vrijeme da se pravilno presavije.
Ovo je bio problem s prethodnim radovima:Rubisco geni su zapravo aktivno sintetizirali proteinske "građevne blokove" enzima, ali nedostatak šaperona nije dopuštao sastavljanje dovoljne količine Rubisca iz polugotovih polipeptidnih lanaca. Trebalo je povećati i broj pratitelja.
Stoga su autori uzeli u obzir ove uvjete, pa se kao rezultat toga ukupni sadržaj rubiscoa u lišću transgenog kukuruza povećao za 30%.
Zbog toga uopće nisu svi dodatni enzimiuključeni u proces fotosinteze. No, unatoč svemu, konačno učvršćivanje ugljičnog dioksida ionako je poraslo za 15%, što je značajno ubrzalo rast GM kukuruza.
Kao rezultat istraživanja kineskih znanstvenika 2020. godine, bilo je moguće ubrzati fotosintezu algi i cvijeća. Znanstvenici ubrzavaju fotosintezu zelenih algiChlorella pyrenoidosai više biljkeArabidopsis thalianapomoću polimera za sakupljanje svjetla. Polimer je povećao njihovu aktivnost u fotosintetskim sustavima zbog elektrostatskog i hidrofobnog vezanja na stijenke fotosintetskih stanica.
Prema autorima, zahvaljujući dobroj sposobnostikako bi apsorbirali zeleno svjetlo, topljivost u vodi i biokompatibilnost, ti su sintetički polimeri potencijalno prikladni za uporabu u proizvodnji biogoriva, kao i za razvoj energije i okoliša.
zaključak
Trenutno, fotonaponske ćelije,djelujući u vodenom okolišu, učinkoviti su, ali očito nesavršeni. Umjetna fotosinteza još je uvijek učinkovita kao alat za vezanje atmosferskog ugljika, a istodobno proizvodi stabilan protok nabijenih čestica (protona i elektrona).
Tako bi se fotosintetske stanice mogle kombinirati sa solarnim panelima - na primjer, već instaliranim na krovovima privatnih kuća u Sjedinjenim Državama.
Solarna baterija bi mogla dati neštoenergija primljena za elektrolizu. U tom bi slučaju fotonaponske ćelije spojene na njega sudjelovale u vezivanju ugljičnog dioksida i cijepanju vode za proizvodnju vodika, koji je pak ekološki prihvatljivo gorivo.
Razvoj katalizatora za takve procesebi nam omogućio da se ne ograničimo na reprodukciju obične fotosinteze, već da sintetiziramo, na primjer, proteine ili enzime. Već smo naučili skalirati solarne panele, tako da bismo uz njih mogli skalirati i fotonaponske ćelije.
Također, takve bi tehnologije mogle pridonijeti razgradnji otrovnog otpada ili plastike, dajući vodik i energiju kao izlaz.
Čitaj više:
Divovski ledeni brijeg A74 sudario se s obalom Antarktika
Dvije nove vrste dinosaura otkrivene su u Kini
Što je Kesslerov efekt, a također kada će i do čega dovesti sudar satelita u orbiti?