Jak przebiega reakcja fotosyntezy?
Istotą fotosyntezy jest zamiana energii światła widzialnego
Innymi słowy, za pomocą energii świetlnej ciałousuwa elektrony z cząsteczki i przenosi je na cząsteczki dwutlenku węgla, redukując je i zamieniając w cząsteczki materii organicznej, które następnie można ponownie utlenić, uzyskując energię.
Cały system reakcji fotosyntezy roślin w jednym schemacie: 6СО2 + 6H2O = glukoza (С6H12О6) + 6О2
Jeden z kluczowych etapów tego kompleksu iproces wieloetapowy - wiązanie dwutlenku węgla. Kiedy tak się dzieje, dwutlenek węgla jest przyłączany do związku zwanego rybulozą (1,5) bisfosforanem, cukrem z dwiema grupami fosforanowymi.
Reakcją tą kieruje enzym – karboksylaza rybulozobisfosforanowa, czyli Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO to enzym będący kompletnym kompleksem 16 łańcuchów białkowych jednocześnie. Większość enzymów katalizuje tysiące przemian chemicznych w ciągu sekundy.
Jednak Rubisco obsługuje tylko 3 do 10cząsteczki dwutlenku węgla, w zależności od warunków. Tak niską jakość enzymu można zrekompensować jedynie jego ilością: wagowo stanowi on do 30% wszystkich rozpuszczalnych w wodzie białek roślinnych, co czyni go najobficiej występującym białkiem na planecie.
Chloroplasty w komórkach liścia
Rodzaje fotosyntezy
Organizmy żywe posiadają dwa rodzaje pigmentów, które mogą pełnić funkcję odbiorników fotosyntetycznych (anten).
W zdecydowanej większości organizmów rola antengrają chlorofile; mniej powszechny jest przypadek, w którym pochodna witaminy A retinal służy jako antena. Zgodnie z tym wyróżnia się fotosyntezę chlorofilową i wolną od chlorofilu.
- Fotosynteza bez chlorofilu
System fotosyntezy bez chlorofilu jest innyznaczna prostota organizacji, w związku z którą przyjmuje się ewolucyjnie, że jest podstawowym mechanizmem magazynowania energii promieniowania elektromagnetycznego. Wydajność fotosyntezy bezchlorofilowej jako mechanizmu konwersji energii jest stosunkowo niska (tylko jeden H + jest przenoszony na zaabsorbowany kwant).
- Fotosynteza chlorofilu
Fotosynteza chlorofilu różni się odbakteriorodopsyna o znacznie wyższej wydajności magazynowania energii. Co najmniej jeden H + jest przenoszony do każdego skutecznie zaabsorbowanego kwantu promieniowania w stosunku do gradientu.
Anoksygenny
Fotosynteza anoksygenna (lub beztlenowa) zachodzi bez wydzielania tlenu. Bakterie fioletowe i zielone, a także heliobakterie są zdolne do fotosyntezy anoksygenicznej.
Tlenowe
Fotosynteza tlenowa lub tlenowatowarzyszy temu uwalnianie tlenu jako produktu ubocznego. W fotosyntezie tlenowej zachodzi niecykliczny transport elektronów, chociaż w pewnych warunkach fizjologicznych zachodzi tylko cykliczny transport elektronów. Niezwykle słaby donor elektronów, woda, jest używany jako donor elektronów w przepływie niecyklicznym.
Głód w rolnictwie
Ludność świata, pomimo drugiejprzemiany demograficzne stale rosną. Gdybyśmy mogli dowolnie zwiększać dzietność proporcjonalnie do wzrostu populacji, nie byłoby większego problemu.
Jednak dzisiaj ludzie opanowali około jednej trzeciejtereny nadające się do uprawy. Prawie wszystkie odpowiednie terytoria w Azji Południowej, na Bliskim Wschodzie i w Ameryce Północnej zostały już zaorane, a zagospodarowanie pozostałych obszarów grozi nam erozją.
Miejsce na planecie może się po prostu wyczerpać, dlatego musimy znaleźć nowe sposoby na zwiększenie produkcji żywności. Zostało to już zrobione wcześniej.
Ostatni raz to się stało z powodu „zielonegorewolucja „50-70-tych ubiegłego wieku. Następnie hodowla nowych wysokoplennych odmian zbóż, wprowadzenie pestycydów i zaawansowanych systemów nawadniania pozwoliły na radykalne - prawie dwukrotne - zwiększenie plonów.
Jak przyspieszyć fotosyntezę
Podstawą tego problemu jest rubisco, enzym, który już omawialiśmy.
Okazało się to jednak nie takie proste. Ukierunkowana mutageneza poszczególnych reszt aminokwasowych nie przyniosła żadnych zauważalnych rezultatów.
Zastosowano także do niego metodę bezpośredniej ewolucji.enzymy: tworzy ogromną kolekcję wariantów genu Rubisco poprzez wprowadzenie przypadkowych mutacji. Całą tę odmianę wykorzystano na E. coli - Escherichia coli... Dzięki temu podejściu naukowcom udało się zwiększyć aktywność sinic Rubisco, które świetnie sprawdzają się w komórkach E. coli.
Ale podobna metoda nie działała w przypadku roślin.Ponadto enzym ten składa się z części dwóch różnych „producentów”: geny kodujące łańcuchy Rubisco znajdują się nie tylko w jądrze komórkowym, ale także w genomie chloroplastów, co komplikuje manipulację nimi. Naukowcy muszą pracować z dwoma genomami jednocześnie, stosując różne techniki modyfikacji genetycznej.
Ale naukowcy nie poddali się.Wpadli na nowy pomysł: zwiększyć ilość rubisco, ponieważ liście roślin są nim dosłownie wypełnione. W tym celu autorzy wykorzystali metody GMO. Jednak sama nadekspresja genów Rubisco nie wystarczyła - Brakowało czegoś innego do złożenia enzymu.
Z biegiem lat okazało się, że na apeluRubisco bierze udział w kilku pakerach białek - RAF1 i RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Te białka fałdujące (zwane białkami opiekuńczymi) mają tendencję do stabilizowania zebranego łańcucha białkowego podczas składania, dając mu czas na prawidłowe sfałdowanie.
To był problem z poprzednimi pracami:Geny Rubisco faktycznie aktywnie syntetyzowały białkowe „cegiełki” enzymu, ale brak białek opiekuńczych nie pozwolił na złożenie wystarczającej ilości Rubisco z półgotowych łańcuchów polipeptydowych. Konieczne było także zwiększenie liczby opiekunów.
Dlatego autorzy uwzględnili te warunki i w rezultacie całkowita zawartość rubisco w liściach kukurydzy transgenicznej wzrosła o 30%.
Z tego powodu nie cały dodatkowy enzym jest w ogólezaangażował się w proces fotosyntezy. Jednak mimo wszystko ostateczna fiksacja dwutlenku węgla i tak wzrosła o 15%, co znacznie przyspieszyło wzrost kukurydzy GM.
W wyniku badań chińskich naukowców z 2020 roku udało się przyspieszyć fotosyntezę alg i kwiatów. Naukowcy przyspieszają fotosyntezę zielonych algChlorella pyrenoidosai rośliny wyższeArabidopsis thalianaprzy użyciu polimeru zbierającego światło. Polimery zwiększyły swoją aktywność w układach fotosyntetycznych dzięki elektrostatycznemu i hydrofobowemu wiązaniu ze ściankami komórek fotosyntetycznych.
Według autorów dzięki dobrej umiejętnoścido pochłaniania zielonego światła, rozpuszczalności w wodzie i biokompatybilności, te syntetyczne polimery są potencjalnie odpowiednie do wykorzystania w produkcji biopaliw, a także w rozwoju energetyki i ochrony środowiska.
Wniosek
Obecnie ogniwa fotowoltaiczne,działając w środowisku wodnym są wydajne, ale wyraźnie niedoskonałe. Sztuczna fotosynteza jest nadal dość skutecznym narzędziem do wiązania węgla atmosferycznego, a jednocześnie wytwarza stabilny przepływ naładowanych cząstek (protonów i elektronów).
W ten sposób ogniwa fotosyntetyczne można było łączyć z panelami słonecznymi – na przykład już zainstalowanymi na dachach prywatnych domów w Stanach Zjednoczonych.
Bateria słoneczna może trochę oddaćenergia otrzymana w procesie elektrolizy. W tym przypadku połączone z nim ogniwa fotowoltaiczne brałyby udział w wiązaniu dwutlenku węgla i rozszczepianiu wody w celu wytworzenia wodoru, który z kolei jest paliwem przyjaznym dla środowiska.
Opracowywanie katalizatorów do takich procesówpozwoliłaby nam nie ograniczać się do odtwarzania zwykłej fotosyntezy, ale na syntezę na przykład białek czy enzymów. Nauczyliśmy się już skalować panele słoneczne, więc razem z nimi będziemy mogli skalować ogniwa fotowoltaiczne.
Ponadto takie technologie mogą przyczynić się do rozkładu toksycznych odpadów lub plastiku, dając jako produkt wodór i energię.
Czytaj więcej:
Olbrzymia góra lodowa A74 zderza się z wybrzeżem Antarktydy
W Chinach odkryto dwa nowe gatunki dinozaurów
Czym jest efekt Kesslera, a także kiedy i do czego doprowadzi zderzenie satelitów na orbicie?