Como ocorre a reação de fotossíntese?
A essência da fotossíntese é que a energia da luz visível é convertida em
Em outras palavras, com a ajuda da energia luminosa o corporetira elétrons da molécula e os transfere para moléculas de dióxido de carbono, reduzindo-as e transformando-as em moléculas de matéria orgânica, que podem então ser novamente oxidadas, obtendo energia.
Todo o sistema de reações de fotossíntese da planta em um esquema: 6СО2 + 6H2O = glicose (С6H12О6) + 6О2
Uma das etapas principais deste complexo eprocesso de estágios múltiplos - ligação de dióxido de carbono. Quando isso acontece, o dióxido de carbono é ligado a um composto chamado ribulose (1,5) bifosfato, um açúcar com dois grupos fosfato.
E essa reação é dirigida por uma enzima - ribulose bifosfato carboxilase, ou Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO é uma enzima que é um complexo completo de 16 cadeias de proteínas ao mesmo tempo. A maioria das enzimas catalisa milhares de transformações químicas a cada segundo.
No entanto, Rubisco só lida com 3 a 10moléculas de dióxido de carbono, dependendo das condições. Essa baixa qualidade da enzima só pode ser compensada por sua quantidade: em peso, ela responde por até 30% de todas as proteínas vegetais solúveis em água, o que a torna a proteína mais abundante do planeta.
Cloroplastos em células foliares
Tipos de fotossíntese
Os organismos vivos possuem dois tipos de pigmentos que podem desempenhar a função de receptores fotossintéticos (antenas).
Na grande maioria dos organismos, o papel das antenasjogo de clorofilas; menos comum é o caso em que o retinal derivado da vitamina A serve como uma antena. De acordo com isso, a fotossíntese sem clorofila e sem clorofila são diferenciadas.
- Fotossíntese livre de clorofila
O sistema de fotossíntese livre de clorofila é diferentesimplicidade significativa de organização, em conexão com a qual se presume evolutivamente ser o mecanismo primário para armazenar a energia da radiação eletromagnética. A eficiência da fotossíntese livre de clorofila como mecanismo de conversão de energia é relativamente baixa (apenas um H + é transferido por quantum absorvido).
- Fotossíntese de clorofila
A fotossíntese da clorofila é diferente debacteriorodopsina com eficiência de armazenamento de energia significativamente maior. Pelo menos um H + é transferido para cada quantum de radiação efetivamente absorvido contra o gradiente.
Anoxigênico
A fotossíntese anoxigênica (ou anóxica) ocorre sem evolução de oxigênio. Bactérias roxas e verdes, bem como heliobactérias, são capazes de fotossíntese anoxigênica.
Oxigenado
Fotossíntese oxigenada ou oxigenadaacompanhada pela liberação de oxigênio como subproduto. Na fotossíntese oxigenada, ocorre o transporte não cíclico de elétrons, embora sob certas condições fisiológicas, apenas ocorra o transporte cíclico de elétrons. Um doador de elétrons extremamente fraco, a água, é usado como um doador de elétrons em um fluxo não cíclico.
Fome na agricultura
A população mundial, apesar do segundoa transição demográfica está em constante crescimento. Se pudéssemos aumentar a fertilidade à vontade em proporção ao crescimento populacional, não haveria grandes problemas.
No entanto, hoje as pessoas dominam cerca de um terçoterras adequadas para a agricultura. Quase todos os territórios adequados no Sul da Ásia, no Oriente Médio e na América do Norte já foram arados, e o desenvolvimento das áreas restantes nos ameaça com a erosão.
O lugar no planeta pode simplesmente acabar, então precisamos encontrar novas maneiras de aumentar a produção de alimentos. Isso já foi feito antes.
A última vez que isso aconteceu foi devido ao "verderevolução "50-70-s do século passado. Então, a criação de novas variedades de cereais de alto rendimento, a introdução de pesticidas e sistemas avançados de irrigação tornaram possível aumentar dramaticamente - quase o dobro - o rendimento.
Como acelerar a fotossíntese
A pedra angular deste problema é a rubisco, uma enzima que já discutimos.
No entanto, isso acabou não sendo tão fácil. A mutagênese dirigida de resíduos de aminoácidos individuais não levou a nenhum resultado perceptível.
O método da evolução direta também foi aplicado a ele.enzimas: cria uma enorme coleção de variantes do gene Rubisco através da introdução de mutações aleatórias. Toda essa variedade foi usada em E. coli - Escherichia coli... Usando essa abordagem, os pesquisadores conseguiram aumentar a atividade da cianobactéria Rubisco, que funciona muito bem em células de E. coli.
Mas um método semelhante não funcionou com plantas.Além disso, esta enzima é montada a partir de partes de dois “fabricantes” diferentes: os genes que codificam as cadeias da Rubisco estão localizados não apenas no núcleo da célula, mas também no genoma do cloroplasto, o que dificulta a sua manipulação. Os investigadores têm de trabalhar com dois genomas ao mesmo tempo, utilizando diferentes técnicas de modificação genética.
Mas os cientistas não desistiram.Eles tiveram uma ideia nova: aumentar a quantidade de rubisco, já que as folhas das plantas ficam literalmente preenchidas com ela. Para fazer isso, os autores usaram métodos OGM. No entanto, a superexpressão dos genes da Rubisco por si só não foi suficiente - Faltava mais alguma coisa para montar a enzima.
Ao longo dos anos, descobriu-se que na assembleiaA Rubisco participa de vários empacotadores de proteínas - RAF1 e RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Essas proteínas de dobramento (chamadas chaperones) tendem a estabilizar a cadeia de proteína coletada durante a montagem, dando-lhe tempo para dobrar corretamente.
Este foi o problema com trabalhos anteriores:Os genes da Rubisco, na verdade, sintetizaram ativamente os “blocos de construção” da proteína da enzima, mas a falta de acompanhantes não permitiu a montagem de uma quantidade suficiente de Rubisco a partir de cadeias polipeptídicas semiacabadas. O número de acompanhantes também precisava ser aumentado.
Portanto, os autores levaram essas condições em consideração e, como resultado, o conteúdo total de rubisco nas folhas do milho transgênico aumentou em 30%.
Por causa disso, nem toda a enzima adicional éenvolveu-se no processo de fotossíntese. Porém, apesar de tudo, a fixação final de dióxido de carbono cresceu 15% de qualquer maneira, isso acelerou significativamente o crescimento do milho GM.
Como resultado de um estudo realizado por cientistas chineses em 2020, foi possível acelerar a fotossíntese de algas e flores. Cientistas aceleram fotossíntese de algas verdesChlorella pyrenoidosae plantas superioresArabidopsis thalianausando um polímero de coleta de luz. O polímero aumentou sua atividade em sistemas fotossintéticos devido à ligação eletrostática e hidrofóbica às paredes das células fotossintéticas.
Segundo os autores, graças à boa habilidadepara absorver luz verde, solubilidade em água e biocompatibilidade, esses polímeros sintéticos são potencialmente adequados para uso na produção de biocombustíveis, bem como no desenvolvimento energético e ambiental.
Conclusão
Atualmente, as células fotovoltaicas,atuando em um ambiente aquoso, eles são eficientes, mas claramente imperfeitos. A fotossíntese artificial ainda é bastante eficaz como ferramenta para ligar o carbono atmosférico e, ao mesmo tempo, produz um fluxo estável de partículas carregadas (prótons e elétrons).
Assim, células fotossintéticas poderiam ser combinadas com painéis solares - por exemplo, já instalados em telhados de residências nos Estados Unidos.
A bateria solar pode revelar algunsenergia recebida para eletrólise. Nesse caso, as células fotovoltaicas a ele conectadas participariam da ligação do dióxido de carbono e da divisão da água para produzir hidrogênio, que, por sua vez, é um combustível ecologicamente correto.
Desenvolvimento de catalisadores para tais processosnos permitiria não nos limitarmos a reproduzir a fotossíntese comum, mas a sintetizar, por exemplo, proteínas ou enzimas. Já aprendemos como dimensionar painéis solares, para que possamos dimensionar células fotovoltaicas junto com eles.
Além disso, essas tecnologias podem contribuir para a decomposição de lixo tóxico ou plástico, produzindo hidrogênio e energia.
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