光合成反応はどのように起こりますか？
光合成の本質は、可視光のエネルギーが
言い換えれば、光エネルギーの助けを借りて、体は電子を分離します。分子を二酸化炭素分子に移し、それらを還元して有機物の分子に変換します。再び酸化し、エネルギーを得ます。
1つのスキームでの植物の光合成反応のシステム全体：6СО2+ 6H2O =グルコース（С6H12О6）+6О2
この複合施設の重要な段階の1つと多段階プロセス-二酸化炭素の結合。この二酸化炭素がリブロース（1,5）ビスホスフェートと呼ばれる化合物に結合すると、2つのホスフェート基を持つ糖になります。
そして、この反応は酵素、リブロース二リン酸カルボキシラーゼ、またはルビスコ (RuBisCO) によって指示されます。
RuBisCO は、16 個のタンパク質鎖が一度に結合した完全な複合体である酵素で、ほとんどの酵素は毎秒数千の化学変換を触媒します。
ただし、Rubiscoは3〜10しか処理しません条件に応じて、二酸化炭素分子。このような低品質の酵素は、その量によってのみ補うことができます。重量で、それはすべての水溶性植物タンパク質の最大30％を占め、地球上で最も豊富なタンパク質になります。
葉細胞の葉緑体
光合成の種類
生物には、光合成受信機 (アンテナ) の機能を果たす 2 種類の色素があります。
大多数の生物では、アンテナの役割葉緑素が遊ぶ;あまり一般的ではないのは、ビタミンA誘導体のレチナールがアンテナとして機能する場合です。これにより、クロロフィルとクロロフィルフリーの光合成が区別されます。
- クロロフィルを含まない光合成
クロロフィルを含まない光合成システムは異なります組織の大幅な簡素化に関連して、電磁放射のエネルギーを蓄積するための主要なメカニズムであると進化的に想定されています。エネルギー変換のメカニズムとしてのクロロフィルを含まない光合成の効率は比較的低い（吸収された量子ごとに1つのH +のみが転送される）。
- クロロフィル光合成
クロロフィルの光合成はエネルギー貯蔵効率が大幅に高いバクテリオロドプシン。少なくとも1つのH +が、勾配に逆らって効果的に吸収された各放射線量子に転送されます。
無酸素性
無酸素（または無酸素）光合成は、酸素発生なしで発生します。紫と緑の細菌、およびヘリオバクテリアは、無酸素光合成が可能です。
酸素発生
酸素発生型または酸素発生型光合成副産物としての酸素の放出を伴う。酸素光合成では、非周期的な電子輸送が発生しますが、特定の生理学的条件下では、周期的な電子輸送のみが発生します。非常に弱い電子供与体である水は、非循環流の電子供与体として使用されます。
農業への飢餓
世界の人口は、2番目にもかかわらず、人口動態の変化は絶えず拡大しています。人口増加に比例して出生率を自由に増加させることができれば、それほど問題はありません。
しかし今日、人々は約 3 分の 1 を習得しました。 南アジア、中東、北米のほぼすべての適した土地はすでに耕作されており、残りの地域の開発により浸食の脅威にさらされています。
地球上の場所は単に不足しているかもしれないので、私たちは食糧生産を増やすための新しい方法を見つける必要があります。これはすでに以前に行われています。
これが最後に起こったのは「グリーン革命「前世紀の50-70-ies。その後、新しい高収量品種の穀物の育種、農薬の導入、高度な灌漑システムにより、収量を劇的に（ほぼ2倍）増加させることができました。
光合成をスピードアップする方法
この問題の基礎となるのは、すでに説明した酵素、ルビスコです。
しかし、これはそれほど簡単ではないことが判明しました。個々のアミノ酸残基の直接変異誘発では、目立った結果は得られませんでした。
直接進化の方法は彼にも適用されました。酵素: ランダムな突然変異を導入することで、Rubisco 遺伝子変異体の膨大なコレクションを作成します。この品種はすべて大腸菌で使用されました - 大腸菌..。このアプローチを使用して、研究者は大腸菌細胞でうまく機能するルビスコシアノバクテリアの活性を高めることができました。
しかし、同様の方法は植物ではうまくいきませんでした。さらに、この酵素は 2 つの異なる「メーカー」の部品から組み立てられています。ルビスコ鎖をコードする遺伝子は細胞核だけでなく葉緑体のゲノムにも位置しており、その操作が複雑になっています。研究者は、異なる遺伝子改変技術を使用して、一度に 2 つのゲノムを処理する必要があります。
しかし科学者たちは諦めませんでした。彼らは新しいアイデアを思いつきました。植物の葉には文字通りルビスコが詰まっているので、その量を増やすというものです。これを行うために、著者らは GMO 手法を使用しました。ただし、Rubisco 遺伝子の過剰発現だけでは十分ではありませんでした。酵素を組み立てるために何かが欠けていました。
何年にもわたって、議会でそれが判明しましたRubiscoは、RAF1とRAF2（RuBisCO Assembly Factor）の複数のプロテインパッカーに同時に参加します。これらのフォールディングタンパク質（シャペロンと呼ばれる）は、組み立て中に収穫されたタンパク質鎖を安定させる傾向があり、適切にフォールディングする時間を与えます。
これが以前の作品の問題でした。実際、ルビスコ遺伝子は酵素の「構成要素」であるタンパク質を活発に合成していましたが、シャペロンが欠如しているため、半完成のポリペプチド鎖から十分な量のルビスコを組み立てることができませんでした。付き添い人の数も増やす必要がありました。
したがって、著者らはこれらの条件を考慮に入れ、その結果、トランスジェニックトウモロコシの葉の総ルビスコ含有量は30％増加しました。
このため、追加の酵素のすべてがまったくないわけではありません光合成の過程に関与するようになりました。しかし、すべてにもかかわらず、二酸化炭素の最終的な固定はとにかく15％増加し、これはGMトウモロコシの成長を大幅に加速させました。
2020年の中国の科学者による研究の結果、藻類や花の光合成を促進することが可能だった。科学者は緑藻の光合成を加速するクロレラピレノイドサそして高等植物シロイヌナズナ集光ポリマーを使用。このポリマーは、光合成細胞の壁への静電結合および疎水結合により、光合成システムにおける活性を高めました。
著者によると、優れた能力のおかげで緑色の光、水溶性、生体適合性を吸収するために、これらの合成ポリマーは、バイオ燃料の生産、エネルギーおよび環境開発での使用に潜在的に適しています。
結論
現在、太陽電池、水性環境で作用するため、効率的ですが、明らかに不完全です。人工光合成は、大気中の炭素を結合するためのツールとして依然として非常に効果的であると同時に、荷電粒子（陽子と電子）の安定した流れを生み出します。
したがって、光合成セルは、たとえば、米国の民家の屋根にすでに設置されているソーラーパネルと組み合わせることができます。
太陽電池はいくらかを与える可能性があります電気分解のために受け取ったエネルギー。この場合、接続された太陽電池は二酸化炭素の結合と水の分解に関与して水素を生成し、水素は環境に優しい燃料となります。
このようなプロセスのための触媒の開発これにより、通常の光合成の再現に限定されず、タンパク質や酵素などの合成も可能になります。私たちはすでにソーラーパネルを拡大縮小する方法を学んでいるので、太陽電池も一緒に拡大縮小することができます。
また、そのような技術は、有毒な廃棄物やプラスチックの分解に貢献し、出力として水素とエネルギーを生み出す可能性があります。
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