Come avviene la reazione di fotosintesi?
L'essenza della fotosintesi è che l'energia della luce visibile viene convertita
In altre parole, con l'aiuto dell'energia luminosa il corporimuove gli elettroni dalla molecola e li cede alle molecole di anidride carbonica, riducendole e trasformandole in molecole di materia organica, che possono poi essere nuovamente ossidate, ottenendo energia.
L'intero sistema di reazioni di fotosintesi delle piante in uno schema: 6СО2 + 6H2O = glucosio (С6H12О6) + 6О2
Una delle tappe fondamentali di questo complesso eprocesso multistadio - legame dell'anidride carbonica. Quando ciò accade, l'anidride carbonica è attaccata a un composto chiamato ribulosio (1,5) bisfosfato, uno zucchero con due gruppi fosfato.
E questa reazione è diretta da un enzima: la ribulosio bisfosfato carbossilasi o Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO è un enzima che è un complesso completo di 16 catene proteiche contemporaneamente. La maggior parte degli enzimi catalizzano migliaia di trasformazioni chimiche ogni secondo.
Tuttavia, Rubisco gestisce solo da 3 a 10molecole di anidride carbonica, a seconda delle condizioni. Una qualità così bassa dell'enzima può essere compensata solo dalla sua quantità: in peso rappresenta fino al 30% di tutte le proteine vegetali idrosolubili, il che la rende la proteina più abbondante del pianeta.
Cloroplasti nelle cellule fogliari
Tipi di fotosintesi
Gli organismi viventi hanno due tipi di pigmenti che possono svolgere la funzione di ricevitori fotosintetici (antenne).
Nella stragrande maggioranza degli organismi, il ruolo delle antennele clorofille giocano; meno comune è il caso in cui il retinale derivato dalla vitamina A funge da antenna. In base a ciò, si distinguono la fotosintesi clorofilliana e priva di clorofilla.
- Fotosintesi senza clorofilla
Il sistema di fotosintesi senza clorofilla è diversonotevole semplicità di organizzazione, in relazione alla quale si assume evolutivamente il meccanismo primario di immagazzinamento dell'energia della radiazione elettromagnetica. L'efficienza della fotosintesi priva di clorofilla come meccanismo per la conversione dell'energia è relativamente bassa (solo un H+ viene trasferito per quanto assorbito).
- Fotosintesi clorofilliana
La fotosintesi clorofilliana è diversa dabatteriorodopsina con un'efficienza di accumulo di energia significativamente maggiore. Almeno un H+ viene trasferito a ogni quanto di radiazione effettivamente assorbito contro il gradiente.
anossigenico
La fotosintesi anossigenica (o anossica) avviene senza evoluzione dell'ossigeno. I batteri viola e verdi, così come gli eliobatteri, sono capaci di fotosintesi anossigenica.
Ossigeno
Fotosintesi ossigenata o ossigenataaccompagnato dal rilascio di ossigeno come sottoprodotto. Nella fotosintesi ossigenata si verifica il trasporto di elettroni non ciclico, sebbene in determinate condizioni fisiologiche si verifichi solo il trasporto di elettroni ciclico. Un donatore di elettroni estremamente debole, l'acqua, viene utilizzato come donatore di elettroni in un flusso non ciclico.
Fame in agricoltura
La popolazione mondiale, nonostante la secondaLa transizione demografica è in continua crescita. Se potessimo aumentare la fertilità a piacimento in proporzione alla crescita della popolazione, non ci sarebbero grossi problemi.
Tuttavia, oggi le persone ne padroneggiano circa un terzoterre adatte all'agricoltura. Quasi tutti i territori adatti dell'Asia meridionale, del Medio Oriente e del Nord America sono già stati arati e lo sviluppo delle aree rimanenti ci minaccia di erosione.
Il posto sul pianeta potrebbe semplicemente esaurirsi, quindi dobbiamo trovare nuovi modi per aumentare la produzione di cibo. Questo è già stato fatto prima.
L'ultima volta che è successo è stato a causa del "verde"rivoluzione "50-70-zioni del secolo scorso. Quindi, l'allevamento di nuove varietà di cereali ad alto rendimento, l'introduzione di pesticidi e sistemi di irrigazione avanzati hanno permesso di aumentare drasticamente - quasi il doppio - la resa.
Come accelerare la fotosintesi
La pietra angolare di questo problema è il rubisco, un enzima di cui abbiamo già parlato.
Tuttavia, ciò si è rivelato non così semplice. La mutagenesi mirata dei singoli residui di amminoacidi non ha portato a risultati apprezzabili.
Anche a lui venne applicato il metodo dell’evoluzione diretta.enzimi: crea una vasta collezione di varianti del gene Rubisco introducendo mutazioni casuali. Tutta questa varietà è stata utilizzata su E. coli - Escherichia coli... Utilizzando questo approccio, i ricercatori sono stati in grado di aumentare l'attività dei cianobatteri di Rubisco, che funzionano alla grande nelle cellule di E. coli.
Ma un metodo simile non ha funzionato con le piante.Inoltre, questo enzima è assemblato da parti di due diversi “produttori”: i geni che codificano per le catene di Rubisco si trovano non solo nel nucleo cellulare, ma anche nel genoma dei cloroplasti, il che complica la loro manipolazione. I ricercatori devono lavorare con due genomi contemporaneamente, utilizzando diverse tecniche di modificazione genetica.
Ma gli scienziati non si sono arresi.Hanno avuto una nuova idea: aumentare la quantità di rubisco, poiché le foglie delle piante ne sono letteralmente piene. Per fare ciò, gli autori hanno utilizzato metodi OGM. Tuttavia, la sola sovraespressione dei geni Rubisco non era sufficiente - Mancava qualcos'altro per assemblare l'enzima.
Nel corso degli anni, si è scoperto che nell'assembleaRubisco partecipa a diversi confezionatori proteici - RAF1 e RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Queste proteine pieghevoli (chiamate chaperon) tendono a stabilizzare la catena proteica raccolta durante l'assemblaggio, dandogli il tempo di ripiegarsi correttamente.
Questo era il problema con i lavori precedenti:I geni Rubisco in realtà sintetizzavano attivamente i “mattoni” proteici dell’enzima, ma la mancanza di chaperon non consentiva l’assemblaggio di una quantità sufficiente di Rubisco da catene polipeptidiche semilavorate. Occorrerebbe aumentare anche il numero degli accompagnatori.
Pertanto, gli autori hanno tenuto conto di queste condizioni e, di conseguenza, il contenuto totale di rubisco nelle foglie di mais transgenico è aumentato del 30%.
Per questo motivo, non tutto l'enzima aggiuntivo lo è affattocoinvolto nel processo di fotosintesi. Tuttavia, nonostante tutto, la fissazione finale dell'anidride carbonica è cresciuta comunque del 15%, accelerando significativamente la crescita del mais GM.
Come risultato di uno studio condotto da scienziati cinesi nel 2020, è stato possibile accelerare la fotosintesi di alghe e fiori. Gli scienziati accelerano la fotosintesi delle alghe verdiClorella pirenoidosae piante superioriArabidopsis thalianautilizzando un polimero che raccoglie la luce. Il polimero ha aumentato la propria attività nei sistemi fotosintetici grazie al legame elettrostatico e idrofobico alle pareti delle cellule fotosintetiche.
Secondo gli autori, grazie alla buona capacitàper assorbire la luce verde, la solubilità in acqua e la biocompatibilità, questi polimeri sintetici sono potenzialmente adatti per l'uso nella produzione di biocarburanti, nonché nello sviluppo energetico e ambientale.
conclusione
Attualmente, le celle fotovoltaiche,agendo in ambiente acquoso, sono efficienti, ma chiaramente imperfetti. La fotosintesi artificiale è ancora abbastanza efficace come strumento per legare il carbonio atmosferico e allo stesso tempo produce un flusso stabile di particelle cariche (protoni ed elettroni).
Pertanto, le celle fotosintetiche potrebbero essere combinate con pannelli solari, ad esempio già installati sui tetti delle case private negli Stati Uniti.
La batteria solare potrebbe regalarne alcunienergia ricevuta per l'elettrolisi. In questo caso, le celle fotovoltaiche ad esso collegate parteciperebbero al legame dell’anidride carbonica e alla scissione dell’acqua per produrre idrogeno, che, a sua volta, è un combustibile rispettoso dell’ambiente.
Sviluppo di catalizzatori per tali processici permetterebbe di non limitarci a riprodurre la normale fotosintesi, ma di sintetizzare, ad esempio, proteine o enzimi. Abbiamo già imparato come scalare i pannelli solari, così da poter scalare insieme ad essi anche le celle fotovoltaiche.
Inoltre, tali tecnologie potrebbero contribuire alla decomposizione di rifiuti tossici o plastica, producendo idrogeno ed energia.
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