כיצד מתרחשת תגובת הפוטוסינתזה?
מהות הפוטוסינתזה היא שאנרגיית האור הנראה מומרת ל
במילים אחרות, בעזרת אנרגיית האור, הגוף מנתק אלקטרונים ממולקולות והעברתן למולקולות הפחמן הדו-חמצני, חיזורן והפיכתן למולקולות של חומר אורגני, שיכולות להיותלחמצן שוב, קבלת אנרגיה.
כל המערכת של תגובות הפוטוסינתזה של הצמחים בתוכנית אחת: 6СО2 + 6H2O = גלוקוז (С6H12О6) + 6О2
אחד משלבי המפתח של מתחם זה ותהליך רב שלבי - כריכה של פחמן דו חמצני. כאשר זה קורה, פחמן דו חמצני מחובר לתרכובת הנקראת ריבוולוז (1,5) ביספוספט, סוכר בעל שתי קבוצות פוספט.
והתגובה הזו מכוונת על ידי אנזים - ריבולוז ביספוספט קרבוקסילאז, או רוביסקו (RuBisCO).
RuBisCO הוא אנזים שהוא קומפלקס שלם של 16 שרשראות חלבון בבת אחת.רוב האנזימים מזרזים אלפי טרנספורמציות כימיות בכל שנייה.
עם זאת, רוביסקו מטפל רק ב -3 עד 10מולקולות פחמן דו חמצני, בהתאם לתנאים. על איכות כה נמוכה של האנזים ניתן לפצות רק בכמותו: לפי משקל, הוא מהווה עד 30% מכל חלבוני הצומח המסיסים במים, מה שהופך אותו לחלבון השופע ביותר על פני כדור הארץ.
כלורופלסטים בתאי עלים
סוגי פוטוסינתזה
לאורגניזמים חיים יש שני סוגים של פיגמנטים שיכולים לבצע את תפקידם של קולטים פוטוסינתטיים (אנטנות).
ברוב המכריע של האורגניזמים, תפקיד האנטנותכלורופילים משחקים; פחות נפוץ הוא המקרה בו הנגזרת של ויטמין A משמשת כאנטנה. בהתאם לכך נבדלים כלורופיל ופוטוסינתזה נטולת כלורופיל.
- פוטוסינתזה ללא כלורופיל
מערכת הפוטוסינתזה ללא כלורופיל שונהפשטות משמעותית של הארגון, שבקשר אליו היא מניחה אבולוציונית כמנגנון העיקרי לאחסון האנרגיה של קרינה אלקטרומגנטית. יעילות הפוטוסינתזה ללא כלורופיל כמנגנון להמרת אנרגיה נמוכה יחסית (רק H + אחד מועבר לכל קוונטי שנספג).
- פוטוסינתזה של כלורופיל
פוטוסינתזה של כלורופיל שונה מbacteriorhodopsin עם יעילות אחסון אנרגיה גבוהה משמעותית. לפחות H + אחד מועבר לכל כמות הקרינה הנספגת ביעילות נגד השיפוע.
חמצן
פוטוסינתזה אנוקסיגנית (או חמצנית) מתרחשת ללא התפתחות חמצן. חיידקים סגולים וירוקים, כמו גם הליובקטריה, מסוגלים לפוטוסינתזה אנוקסיגנית.
חמצן
פוטוסינתזה חמצנית או חמצניתמלווה בשחרור חמצן כתוצר לוואי. בפוטוסינתזה חמצנית מתרחשת הובלת אלקטרונים לא מחזורית, אם כי בתנאים פיזיולוגיים מסוימים מתרחשת רק הובלת אלקטרונים מחזורית. תורם אלקטרונים חלש במיוחד, מים, משמש כתורם אלקטרונים בזרימה לא מחזורית.
רעב בחקלאות
אוכלוסיית העולם, למרות השנייההמעבר הדמוגרפי גדל כל הזמן. אם נוכל להגדיל את הפוריות כרצוננו ביחס לגידול האוכלוסייה, לא הייתה בעיה גדולה.
עם זאת, היום אנשים שלטו בערך בשלישאדמות המתאימות לחקלאות. כמעט כל השטחים המתאימים בדרום אסיה, המזרח התיכון וצפון אמריקה כבר נחרשו, ופיתוח השטחים הנותרים מאיים עלינו בשחיקה.
המקום על פני כדור הארץ עלול להיגמר פשוט, ולכן עלינו למצוא דרכים חדשות להגדיל את ייצור המזון. הדבר כבר נעשה בעבר.
הפעם האחרונה שזה קרה נבעה מה"ירוקמהפכה "50-70 של המאה הקודמת. לאחר מכן, גידול זנים חדשים מניבים של דגנים, הכנסת חומרי הדברה ומערכות השקיה מתקדמות אפשרו להגדיל באופן דרמטי - כמעט פעמיים - את התשואה.
כיצד להאיץ את הפוטוסינתזה
אבן היסוד של בעיה זו היא רוביסקו, אנזים שכבר דנו בו.
עם זאת, התברר שזה לא כל כך קל. מוטגנזה מכוונת של שאריות חומצות אמינו בודדות לא הובילה לתוצאות ניכרות.
גם שיטת האבולוציה הישירה יושמה עליו.אנזימים: הוא יוצר אוסף עצום של וריאנטים של גנים Rubisco על ידי החדרת מוטציות אקראיות. כל המגוון הזה שימש על E. coli - אי קולי... באמצעות גישה זו הצליחו החוקרים להגדיל את פעילותם של ציאנובקטריה רובוסקו, שעובדת מצוין בתאי E. coli.
אבל שיטה דומה לא עבדה עם צמחים.בנוסף, אנזים זה מורכב מחלקים של שני "יצרנים" שונים: הגנים המקודדים לשרשראות הרוביסקו נמצאים לא רק בגרעין התא, אלא גם בגנום הכלורופלסט, מה שמקשה על המניפולציה שלהם. החוקרים צריכים לעבוד עם שני גנומים בו זמנית, תוך שימוש בטכניקות שונות של שינוי גנטי.
אבל המדענים לא ויתרו.הם העלו רעיון חדש: להגדיל את כמות הרוביסקו, מכיוון שעלי הצמחים ממש מלאים בו. לשם כך השתמשו המחברים בשיטות GMO. עם זאת, ביטוי יתר של גנים של Rubisco לבדו לא הספיק - משהו אחר היה חסר כדי להרכיב את האנזים.
עם השנים, התברר כי באסיפהרוביסקו לוקחת חלק בכמה חבילות חלבונים - RAF1 ו- RAF2 (גורם הרכבה RuBisCO). חלבונים מתקפלים אלה (הנקראים צ'פרים) נוטים לייצב את שרשרת החלבונים שנקטפו במהלך ההרכבה, ונותנים לה זמן להתקפל כראוי.
זו הייתה הבעיה עם עבודות קודמות:גנים של רוביסקו למעשה סינתזו באופן פעיל את "אבני הבניין" החלבון של האנזים, אך היעדר מלווים לא איפשר הרכבה של כמות מספקת של רוביסקו משרשרות פוליפפטידיות מוגמרות למחצה. היה צורך גם להגדיל את מספר המלווים.
לכן, המחברים לקחו בחשבון את התנאים הללו וכתוצאה מכך, התוכן הכולל של רוביסקו בעלים של תירס מהונדס גדל ב -30%.
בגלל זה, לא כל האנזים הנוסף הוא בכללהשתלב בתהליך הפוטוסינתזה. עם זאת, למרות הכל, הקיבוע הסופי של פחמן דו חמצני גדל בכל מקרה ב -15%, הדבר האיץ משמעותית את צמיחת התירס GM.
כתוצאה ממחקר של מדענים סינים ב-2020, ניתן היה להאיץ את הפוטוסינתזה של אצות ופרחים. מדענים מאיצים את הפוטוסינתזה של אצות ירוקותChlorella pyrenoidosaוצמחים גבוהים יותרArabidopsis thalianaבאמצעות פולימר לאסוף אור. הפולימר הגביר את פעילותם במערכות פוטוסינתטיות עקב קישור אלקטרוסטטי והידרופובי לדפנות תאים פוטוסינתטיים.
לדברי המחברים, בזכות היכולת הטובהכדי לספוג אור ירוק, מסיסות במים והתאמה ביולוגית, פולימרים סינתטיים אלה מתאימים פוטנציאליים לייצור דלקים ביולוגיים, כמו גם לאנרגיה ופיתוח סביבתי.
מסקנה
נכון לעכשיו, תאים פוטו -וולטאיים,פועלים בסביבה מימית, הם יעילים, אך בלתי מושלמים בעליל. הפוטוסינתזה המלאכותית עדיין יעילה למדי ככלי לקשירת פחמן אטמוספרי, ובמקביל מייצרת זרימה יציבה של חלקיקים טעונים (פרוטונים ואלקטרונים).
כך ניתן לשלב תאים פוטוסינתטיים עם פאנלים סולאריים - למשל, כבר מותקנים על גגות בתים פרטיים בארצות הברית.
הסוללה הסולארית יכולה לתת חלקאנרגיה המתקבלת עבור אלקטרוליזה. במקרה זה, תאים פוטו-וולטאיים המחוברים אליו ישתתפו בקשירה של פחמן דו חמצני ובפיצול מים לייצור מימן, שהוא, בתורו, דלק ידידותי לסביבה.
פיתוח זרזים לתהליכים כאלהיאפשר לנו לא להגביל את עצמנו לשחזור פוטוסינתזה רגילה, אלא לסנתז, למשל, חלבונים או אנזימים. כבר למדנו כיצד לבצע קנה מידה של פאנלים סולאריים, כך שנוכל להתאים תאים פוטו-וולטאיים יחד איתם.
כמו כן, טכנולוגיות כאלה יכולות לתרום לפירוק פסולת רעילה או פלסטיק, ולהניב מימן ואנרגיה כתפוקה.
קרא עוד:
קרחון ענק A74 מתנגש עם חופי אנטארקטיקה
שני מיני דינוזאורים חדשים שהתגלו בסין
מהו אפקט קסלר, וגם מתי ומה תוביל התנגשות לוויינים במסלול?