Hoe verloopt de fotosynthesereactie?
De essentie van fotosynthese is dat de energie van zichtbaar licht wordt omgezet in
Met andere woorden, met behulp van lichtenergie maakt het lichaam elektronen los vanmoleculen en brengen ze over naar de kooldioxidemoleculen, waardoor ze worden gereduceerd en omgezet in moleculen van organisch materiaal, die vervolgens kunnen wordenOxideer opnieuw, waardoor energie wordt verkregen.
Het hele systeem van fotosynthesereacties van planten in één schema: 6СО2 + 6H2O = glucose (С6H12О6) + 6О2
Een van de belangrijkste fasen van dit complexe enmeertraps proces - binding van kooldioxide. Wanneer dit gebeurt, wordt koolstofdioxide gehecht aan een verbinding genaamd ribulose (1,5) bisfosfaat, een suiker met twee fosfaatgroepen.
En deze reactie wordt geleid door een enzym: ribulosebisfosfaatcarboxylase, of Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO is een enzym dat een compleet complex is van 16 eiwitketens tegelijk. De meeste enzymen katalyseren duizenden chemische transformaties per seconde.
Rubisco verwerkt echter slechts 3 tot 10kooldioxidemoleculen, afhankelijk van de omstandigheden. Een dergelijke lage kwaliteit van het enzym kan alleen worden gecompenseerd door de hoeveelheid ervan: in gewicht is het verantwoordelijk voor tot 30% van alle in water oplosbare plantaardige eiwitten, waardoor het het meest voorkomende eiwit op aarde is.
Chloroplasten in bladcellen
Soorten fotosynthese
Levende organismen hebben twee soorten pigmenten die de functie van fotosynthetische ontvangers (antennes) kunnen vervullen.
In de overgrote meerderheid van organismen is de rol van antenneschlorofylen spelen; minder gebruikelijk is het geval waarin het vitamine A-derivaat netvlies als antenne dient. In overeenstemming hiermee worden chlorofyl en chlorofylvrije fotosynthese onderscheiden.
- Chlorofylvrije fotosynthese
Het chlorofylvrije fotosynthesesysteem is andersaanzienlijke eenvoud van organisatie, in verband waarmee het evolutionair wordt aangenomen dat het het primaire mechanisme is voor het opslaan van de energie van elektromagnetische straling. De efficiëntie van chlorofylvrije fotosynthese als mechanisme voor energieconversie is relatief laag (slechts één H+ wordt per geabsorbeerd kwantum overgedragen).
- Chlorofyl fotosynthese
Chlorofyl fotosynthese is anders danbacteriorodopsine met een aanzienlijk hogere energieopslagefficiëntie. Ten minste één H+ wordt overgebracht naar elk effectief geabsorbeerd stralingskwantum tegen de gradiënt in.
anoxygeen
Anoxygene (of anoxische) fotosynthese vindt plaats zonder zuurstofontwikkeling. Paarse en groene bacteriën, evenals heliobacteriën, zijn in staat tot anoxygene fotosynthese.
zuurstofrijk
Zuurstofrijke of zuurstofrijke fotosynthesegepaard gaat met het vrijkomen van zuurstof als bijproduct. Bij zuurstofische fotosynthese vindt niet-cyclisch elektronentransport plaats, hoewel onder bepaalde fysiologische omstandigheden alleen cyclisch elektronentransport plaatsvindt. Een extreem zwakke elektronendonor, water, wordt gebruikt als elektronendonor in een niet-cyclische stroom.
Honger in de landbouw
De wereldbevolking, ondanks de tweedede demografische transitie groeit voortdurend. Als we de vruchtbaarheid naar believen zouden kunnen verhogen in verhouding tot de bevolkingsgroei, zou er niet zo'n groot probleem zijn.
Tegenwoordig beheersen mensen echter ongeveer een derdelanden die geschikt zijn voor landbouw. Bijna alle geschikte gebieden in Zuid-Azië, het Midden-Oosten en Noord-Amerika zijn al geploegd, en de ontwikkeling van de resterende gebieden bedreigt ons met erosie.
De plaats op aarde kan gewoon opraken, dus we moeten nieuwe manieren vinden om de voedselproductie te verhogen. Dit is al eerder gedaan.
De laatste keer dat dit gebeurde was te wijten aan de "groene"revolutie "50-70-er jaren van de vorige eeuw. Vervolgens maakten de veredeling van nieuwe hoogproductieve graansoorten, de introductie van pesticiden en geavanceerde irrigatiesystemen het mogelijk om de opbrengst drastisch - bijna twee keer - te verhogen.
Hoe fotosynthese te versnellen?
De hoeksteen van dit probleem is rubisco, een enzym dat we al hebben besproken.
Dit bleek echter niet zo eenvoudig. Gerichte mutagenese van individuele aminozuurresten leidde niet tot merkbare resultaten.
De methode van directe evolutie werd ook op hem toegepast.enzymen: het creëert een enorme verzameling Rubisco-genvarianten door willekeurige mutaties te introduceren. Al deze variëteit werd gebruikt op E. coli - Escherichia coli... Met deze aanpak konden de onderzoekers de activiteit van Rubisco-cyanobacteriën verhogen, wat uitstekend werkt in E. coli-cellen.
Maar een vergelijkbare methode werkte niet met planten.Bovendien is dit enzym samengesteld uit delen van twee verschillende "fabrikanten": de genen die coderen voor de Rubisco-ketens bevinden zich niet alleen in de celkern, maar ook in het chloroplastgenoom, wat hun manipulatie bemoeilijkt. Onderzoekers moeten met twee genomen tegelijk werken, met behulp van verschillende genetische modificatietechnieken.
Maar de wetenschappers gaven niet op.Ze kwamen met een nieuw idee: de hoeveelheid rubisco vergroten, aangezien de bladeren van de planten er letterlijk mee gevuld zijn. Om dit te doen, gebruikten de auteurs GMO-methoden. Overexpressie van Rubisco-genen alleen was echter niet voldoende. Er ontbrak nog iets om het enzym samen te stellen.
In de loop der jaren bleek dat in de vergaderingRubisco neemt deel aan verschillende eiwitverpakkers - RAF1 en RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Deze vouweiwitten (chaperones genoemd) hebben de neiging om de geoogste eiwitketen tijdens de assemblage te stabiliseren, waardoor deze de tijd krijgt om goed te vouwen.
Dit was het probleem met eerdere werken:Rubisco-genen synthetiseerden feitelijk actief de eiwitbouwstenen van het enzym, maar het gebrek aan chaperonnes maakte het niet mogelijk om voldoende Rubisco te assembleren uit halfafgewerkte polypeptideketens. Ook het aantal begeleiders moest worden uitgebreid.
Daarom hielden de auteurs rekening met deze omstandigheden en als gevolg daarvan nam het totale rubisco-gehalte in de bladeren van transgene maïs toe met 30%.
Hierdoor is niet al het extra enzym helemaalraakte betrokken bij het proces van fotosynthese. Ondanks alles groeide de uiteindelijke fixatie van kooldioxide hoe dan ook met 15%, dit versnelde de groei van gg-maïs aanzienlijk.
Als resultaat van een onderzoek van Chinese wetenschappers uit 2020 was het mogelijk om de fotosynthese van algen en bloemen te versnellen. Wetenschappers versnellen de fotosynthese van groene algenChlorella pyrenoidosaen hogere plantenArabidopsis thalianamet behulp van een licht-oogstend polymeer. Het polymeer verhoogde hun activiteit in fotosynthesesystemen als gevolg van elektrostatische en hydrofobe binding aan de wanden van fotosynthesecellen.
Volgens de auteurs, dankzij het goede vermogenom groen licht, oplosbaarheid in water en biocompatibiliteit te absorberen, zijn deze synthetische polymeren potentieel geschikt voor gebruik bij de productie van biobrandstoffen, evenals voor energie- en milieuontwikkeling.
conclusie
Momenteel zijn fotovoltaïsche cellen,ze werken in een waterige omgeving en zijn efficiënt, maar duidelijk onvolmaakt. Kunstmatige fotosynthese is nog steeds behoorlijk effectief als een hulpmiddel om atmosferische koolstof te binden en produceert tegelijkertijd een stabiele stroom van geladen deeltjes (protonen en elektronen).
Zo zouden fotosynthetische cellen kunnen worden gecombineerd met zonnepanelen - bijvoorbeeld al geïnstalleerd op de daken van particuliere huizen in de Verenigde Staten.
De zonnebatterij zou wat kunnen weggevenenergie ontvangen voor elektrolyse. In dit geval zouden fotovoltaïsche cellen die ermee verbonden zijn, deelnemen aan de binding van koolstofdioxide en het splitsen van water om waterstof te produceren, wat op zijn beurt een milieuvriendelijke brandstof is.
Ontwikkeling van katalysatoren voor dergelijke processenzou ons in staat stellen ons niet te beperken tot het reproduceren van gewone fotosynthese, maar tot het synthetiseren van bijvoorbeeld eiwitten of enzymen. We hebben al geleerd hoe we zonnepanelen kunnen schalen, zodat we ook fotovoltaïsche cellen kunnen schalen.
Dergelijke technologieën kunnen ook bijdragen aan de afbraak van giftig afval of plastic, met waterstof en energie als output.
Lees verder:
Gigantische ijsberg A74 botst met kust van Antarctica
Twee nieuwe dinosaurussoorten ontdekt in China
Wat is het Kessler-effect, en ook wanneer en waartoe zal de botsing van satellieten in een baan om de aarde leiden?