Hogyan zajlik a fotoszintézis reakció?
A fotoszintézis lényege, hogy a látható fény energiája átalakul
Más szóval, a fényenergia segítségével a testeltávolítja az elektronokat a molekulából, és átadja azokat a szén-dioxid molekuláknak, redukálva és szerves anyag molekulákká alakítva, amelyek aztán újra oxidálhatók, energiát nyerve.
A növényi fotoszintézis reakcióinak teljes rendszere egy sémában: 6СО2 + 6H2O = glükóz (С6H12О6) + 6О2
Ennek a komplexumnak az egyik legfontosabb szakasza éstöbblépcsős folyamat - szén -dioxid megkötése. Amikor ez megtörténik, szén -dioxid kapcsolódik a ribulóz (1,5) biszfoszfát nevű vegyülethez, amely két foszfátcsoporttal rendelkező cukor.
Ezt a reakciót pedig egy enzim irányítja – a ribulóz-biszfoszfát-karboxiláz vagy a Rubisco (RuBisCO).
A RuBisCO egy olyan enzim, amely egyszerre 16 fehérjeláncból áll, és a legtöbb enzim másodpercenként több ezer kémiai átalakulást katalizál.
A Rubisco azonban csak a 3-10 -et kezeliszéndioxid molekulák, a körülményektől függően. Az enzim ilyen gyenge minőségét csak mennyisége ellensúlyozhatja: tömege szerint az összes vízben oldódó növényi fehérje akár 30% -át teszi ki, ami a bolygó legelterjedtebb fehérjévé teszi.
Kloroplasztok a levélsejtekben
A fotoszintézis típusai
Az élő szervezetekben kétféle pigment található, amelyek képesek ellátni a fotoszintetikus vevők (antennák) funkcióját.
A szervezetek túlnyomó többségében az antennák szerepeklorofillok játszanak; kevésbé gyakori az az eset, amikor az A -vitamin származéka a retina antennaként szolgál. Ennek megfelelően megkülönböztetik a klorofillt és a klorofillmentes fotoszintézist.
- Klorofillmentes fotoszintézis
A klorofillmentes fotoszintézis rendszer mása szervezés jelentős egyszerűsége, amellyel kapcsolatban evolúciósan feltételezik, hogy ez az elsődleges mechanizmus az elektromágneses sugárzás energiájának tárolására. A klorofillmentes fotoszintézis, mint energiakonverziós mechanizmus hatékonysága viszonylag alacsony (elnyelt kvantumonként csak egy H + kerül átadásra).
- Klorofill fotoszintézis
A klorofill fotoszintézise eltér abakteriorodopszin, jelentősen nagyobb energiatárolási hatékonysággal. Legalább egy H + kerül át a hatékonyan elnyelt sugárzás minden kvantumába a gradiens ellen.
Anoxigenikus
Az anoxigénes (vagy anoxikus) fotoszintézis oxigénfejlődés nélkül megy végbe. A lila és zöld baktériumok, valamint a heliobaktériumok anoxigenikus fotoszintézisre képesek.
Oxigénes
Oxigénes vagy oxigénes fotoszintézismelléktermékként oxigén felszabadulásával jár. Az oxigénes fotoszintézis során nem ciklikus elektronszállítás fordul elő, bár bizonyos fiziológiai körülmények között csak ciklikus elektronszállítás fordul elő. Rendkívül gyenge elektrondonort, a vizet használnak elektron donorként nem ciklikus áramlás esetén.
Éhség a mezőgazdaságban
A világ lakossága, annak ellenére, hogy a másodika demográfiai átmenet folyamatosan növekszik. Ha tetszés szerint növelhetnénk a termékenységet a népesség növekedésével arányosan, akkor nem lenne nagy probléma.
Ma azonban az emberek körülbelül egyharmadát elsajátítottákmezőgazdaságra alkalmas földek. Dél-Ázsia, Közel-Kelet és Észak-Amerika szinte minden alkalmas területét felszántották már, a fennmaradó területek fejlődése pedig erózióval fenyeget bennünket.
A hely a bolygón egyszerűen elfogyhat, ezért új módszereket kell találnunk az élelmiszertermelés növelésére. Ezt már korábban is megtették.
Ez utoljára a "zöld" miatt történtforradalom "A múlt század 50-70-es évei. Ezután az új, nagy hozamú gabonafélék tenyésztése, a peszticidek és a fejlett öntözőrendszerek bevezetése lehetővé tette a termés drámai - majdnem kétszeres - növelését.
Hogyan lehet felgyorsítani a fotoszintézist
Ennek a problémának a sarokköve a rubisco, egy enzim, amelyet már tárgyaltunk.
Ez azonban nem volt olyan egyszerű. Az egyes aminosavmaradékok irányított mutagenezise nem vezetett észrevehető eredményekhez.
A közvetlen evolúció módszerét is alkalmazták nála.enzimek: a Rubisco génváltozatok hatalmas gyűjteményét hozza létre véletlenszerű mutációk bevezetésével. Mindezt a fajtát E. coli-n használták – Escherichia coli... Ezzel a megközelítéssel a kutatók képesek voltak fokozni a Rubisco cianobaktériumok aktivitását, amely nagyszerűen működik az E. coli sejtekben.
De egy hasonló módszer nem működött növényekkel.Ráadásul ez az enzim két különböző „gyártó” részéből áll össze: a Rubisco-láncokat kódoló gének nemcsak a sejtmagban, hanem a kloroplaszt genomjában is megtalálhatók, ami megnehezíti a velük való manipulációt. A kutatóknak egyszerre két genommal kell dolgozniuk, különböző genetikai módosítási technikákat alkalmazva.
De a tudósok nem adták fel.Új ötlettel álltak elő: növeljék a rubisco mennyiségét, hiszen a növények levelei szó szerint tele vannak vele. Ehhez a szerzők GMO-módszereket alkalmaztak. A Rubisco gének túlzott expressziója azonban önmagában nem volt elegendő - Valami más hiányzott az enzim összeállításához.
Az évek során kiderült, hogy a közgyűlésenA Rubisco számos fehérjecsomagolóban vesz részt - RAF1 és RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Ezek az összecsukható fehérjék (chaperonok) hajlamosak stabilizálni az összegyűjtött fehérje láncot az összeszerelés során, így időt hagyva a megfelelő összehajtásra.
Ez volt a probléma a korábbi munkákkal:A Rubisco gének valójában aktívan szintetizálták az enzim fehérje „építőköveit”, de a chaperonok hiánya nem tette lehetővé kellő mennyiségű Rubisco összeállítását félkész polipeptidláncokból. A kísérők számát is növelni kellett.
Ezért a szerzők figyelembe vették ezeket a feltételeket, és ennek eredményeképpen a transzgénikus kukorica leveleinek teljes rubiszkótartalma 30%-kal nőtt.
Emiatt az összes kiegészítő enzim egyáltalán nembekapcsolódott a fotoszintézis folyamatába. Azonban mindennek ellenére a szén -dioxid végső rögzítése amúgy is 15% -kal nőtt, ez jelentősen felgyorsította a GM kukorica növekedését.
A kínai tudósok 2020-ban végzett tanulmányának eredményeként sikerült felgyorsítani az algák és virágok fotoszintézisét. A tudósok felgyorsítják a zöld algák fotoszintézisétChlorella pyrenoidosaés magasabb rendű növényekArabidopsis thalianafénybetakarítású polimer felhasználásával. A polimer növelte aktivitásukat a fotoszintetikus rendszerekben a fotoszintetikus sejtek falához való elektrosztatikus és hidrofób kötődés miatt.
A szerzők szerint a jó képességnek köszönhetőenA zöld fény, a vízben való oldhatóság és a biokompatibilitás elnyeléséhez ezek a szintetikus polimerek potenciálisan alkalmasak bioüzemanyagok előállítására, valamint energia- és környezetfejlesztésre.
következtetés
Jelenleg a fotovoltaikus cellák,vizes környezetben hatnak, hatékonyak, de egyértelműen tökéletlenek. A mesterséges fotoszintézis még mindig elég hatékony eszköz a légköri szén megkötésére, ugyanakkor stabil töltésű részecskék (protonok és elektronok) áramlását eredményezi.
Így a fotoszintetikus cellákat napelemekkel lehet kombinálni - például már az Egyesült Államokban lévő magánházak tetejére telepítve.
A napelem adna néhányataz elektrolízishez kapott energia. Ebben az esetben a hozzá kapcsolódó fotovoltaikus cellák részt vennének a szén-dioxid megkötésében és a víz felosztásában, hogy hidrogént állítsanak elő, ami viszont környezetbarát üzemanyag.
Katalizátorok fejlesztése ilyen folyamatokhozlehetővé tenné, hogy ne korlátozzuk magunkat a közönséges fotoszintézis reprodukálására, hanem például fehérjék vagy enzimek szintetizálására. Megtanultuk már a napelemek méretezését, így velük együtt skálázhatjuk a fotovoltaikus cellákat is.
Ezenkívül az ilyen technológiák hozzájárulhatnak a mérgező hulladékok vagy műanyagok bomlásához, így hidrogént és energiát eredményezve.
Olvass tovább:
Az A74 -es jéghegy ütközik az Antarktisz partjaival
Két új dinoszauruszfajt fedeztek fel Kínában
Mi a Kessler -effektus, és azt is, hogy mikor és mihez vezet a pályán lévő műholdak ütközése?