Cum are loc reacția de fotosinteză?
Esența fotosintezei este că energia luminii vizibile este transformată în
Cu alte cuvinte, cu ajutorul energiei luminoase corpulelimină electronii din moleculă și îi transferă în moleculele de dioxid de carbon, reducându-i și transformându-i în molecule de materie organică, care pot fi apoi oxidate din nou, obținând energie.
Întregul sistem de reacții de fotosinteză a plantelor într-o singură schemă: 6СО2 + 6H2O = glucoză (С6H12О6) + 6О2
Una dintre etapele cheie ale acestui complex șiproces în mai multe etape - legarea dioxidului de carbon. Când se întâmplă acest lucru, dioxidul de carbon este atașat la un compus numit ribuloză (1,5) bisfosfat, un zahăr cu două grupări fosfat.
Și această reacție este condusă de o enzimă - ribuloză bisfosfat carboxilază sau Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO este o enzimă care este un complex complet de 16 lanțuri de proteine simultan.Majoritatea enzimelor catalizează mii de transformări chimice în fiecare secundă.
Cu toate acestea, Rubisco se ocupă doar de 3 până la 10molecule de dioxid de carbon, în funcție de condiții. O astfel de calitate scăzută a enzimei poate fi compensată doar prin cantitatea sa: în greutate, aceasta reprezintă până la 30% din toate proteinele vegetale solubile în apă, ceea ce o face cea mai abundentă proteină de pe planetă.
Cloroplastele din celulele frunzelor
Tipuri de fotosinteză
Organismele vii au două tipuri de pigmenți care pot îndeplini funcția de receptori fotosintetici (antene).
În marea majoritate a organismelor, rolul antenelorjocul clorofilelor; mai puțin frecvent este cazul în care derivatul retinei de vitamina A servește ca antenă. În conformitate cu aceasta, se disting fotosinteza clorofilă și fără clorofilă.
- Fotosinteza fără clorofilă
Sistemul de fotosinteză fără clorofilă este diferitsimplitate semnificativă a organizării, în legătură cu care se presupune că evoluțional este mecanismul principal pentru stocarea energiei radiațiilor electromagnetice. Eficiența fotosintezei fără clorofilă ca mecanism de conversie a energiei este relativ scăzută (doar un H + este transferat per cuantum absorbit).
- Fotosinteza clorofilei
Fotosinteza clorofilei este diferită debacteriorodopsină cu eficiență de stocare a energiei semnificativ mai mare. Cel puțin un H + este transferat către fiecare cuantă de radiație absorbită eficient împotriva gradientului.
Anoxigenic
Fotosinteza anoxigenică (sau anoxică) are loc fără evoluția oxigenului. Bacteriile violete și verzi, precum și heliobacteriile, sunt capabile de fotosinteză anoxigenică.
Oxigenic
Fotosinteza oxigenică sau oxigenicăînsoțită de eliberarea de oxigen ca produs secundar. În fotosinteza oxigenică, are loc transportul neciclic al electronilor, deși în anumite condiții fiziologice, are loc doar transportul electronic al ciclului. Un donator de electroni extrem de slab, apa, este folosit ca donator de electroni într-un flux non-ciclic.
Foamea în agricultură
Populația lumii, în ciuda celui de-al doileatranziția demografică este în continuă creștere. Dacă am putea crește fertilitatea după bunul plac, proporțional cu creșterea populației, nu ar fi prea mare problemă.
Cu toate acestea, astăzi oamenii au stăpânit aproximativ o treimeterenuri potrivite pentru agricultură. Aproape toate teritoriile potrivite din Asia de Sud, Orientul Mijlociu și America de Nord au fost deja arate, iar dezvoltarea zonelor rămase ne amenință cu eroziune.
Locul de pe planetă s-ar putea epuiza pur și simplu, așa că trebuie să găsim noi modalități de a crește producția de alimente. Acest lucru s-a făcut deja înainte.
Ultima dată când s-a întâmplat acest lucru s-a datorat „verderevoluție "50-70-ies din secolul trecut. Apoi, creșterea de noi soiuri de cereale cu randament ridicat, introducerea pesticidelor și sisteme avansate de irigare au făcut posibilă creșterea dramatică - aproape de două ori - a randamentului.
Cum se accelerează fotosinteza
Piatra de temelie a acestei probleme este rubisco, o enzimă despre care am discutat deja.
Cu toate acestea, acest lucru s-a dovedit a nu fi atât de ușor. Mutageneza dirijată a reziduurilor individuale de aminoacizi nu a condus la niciun rezultat vizibil.
Lui i s-a aplicat și metoda evoluției directe.enzime: creează o colecție imensă de variante ale genei Rubisco prin introducerea de mutații aleatorii. Tot acest soi a fost folosit pe E. coli - Escherichia coli... Folosind această abordare, cercetătorii au reușit să crească activitatea cianobacteriilor Rubisco, care funcționează excelent în celulele E. coli.
Dar o metodă similară nu a funcționat cu plantele.În plus, această enzimă este asamblată din părți a doi „producători” diferiți: genele care codifică lanțurile Rubisco sunt situate nu numai în nucleul celulei, ci și în genomul cloroplastului, ceea ce complică manipularea lor. Cercetătorii trebuie să lucreze cu doi genomi simultan, folosind tehnici diferite de modificare genetică.
Dar oamenii de știință nu au renunțat.Au venit cu o idee nouă: să mărească cantitatea de rubisco, deoarece frunzele plantelor sunt literalmente umplute cu el. Pentru a face acest lucru, autorii au folosit metode OMG. Cu toate acestea, supraexprimarea numai a genelor Rubisco nu a fost suficientă - Mai lipsea ceva pentru a asambla enzima.
De-a lungul anilor, s-a dovedit că în adunareRubisco participă la mai multe pachete de proteine - RAF1 și RAF2 (factor de asamblare RuBisCO). Aceste proteine pliabile (numite chaperone) tind să stabilizeze lanțul proteic recoltat în timpul asamblării, oferindu-i timp să se plieze corect.
Aceasta a fost problema cu lucrările anterioare:Genele Rubisco au sintetizat de fapt în mod activ „blocurile de construcție” proteice ale enzimei, dar lipsa însoțitorilor nu a permis asamblarea unei cantități suficiente de Rubisco din lanțuri polipeptidice semifabricate. Numărul de însoțitori trebuia, de asemenea, crescut.
Prin urmare, autorii au luat în considerare aceste condiții și, ca rezultat, conținutul total de rubisco din frunzele porumbului transgenic a crescut cu 30%.
Din această cauză, nu toate enzimele suplimentare sunt delocs-a implicat în procesul de fotosinteză. Cu toate acestea, în ciuda tuturor, fixarea finală a dioxidului de carbon a crescut oricum cu 15%, acest lucru a accelerat semnificativ creșterea porumbului modificat genetic.
Ca urmare a unui studiu realizat de oamenii de știință chinezi în 2020, a fost posibilă accelerarea fotosintezei algelor și florilor. Oamenii de știință accelerează fotosinteza algelor verziChlorella pyrenoidosași plante superioareArabidopsis thalianafolosind un polimer de recoltare a luminii. Polimerul și-a crescut activitatea în sistemele fotosintetice datorită legării electrostatice și hidrofobe de pereții celulelor fotosintetice.
Potrivit autorilor, datorită abilității bunepentru a absorbi lumina verde, solubilitatea în apă și biocompatibilitatea, acești polimeri sintetici sunt potențial potriviți pentru utilizarea în producția de biocombustibili, precum și pentru dezvoltarea energiei și a mediului.
concluzie
În prezent, celulele fotovoltaice,acționând într-un mediu apos, acestea sunt eficiente, dar în mod clar imperfecte. Fotosinteza artificială este încă destul de eficientă ca instrument de legare a carbonului atmosferic și, în același timp, produce un flux stabil de particule încărcate (protoni și electroni).
Astfel, celulele fotosintetice ar putea fi combinate cu panouri solare - de exemplu, deja instalate pe acoperișurile caselor private din Statele Unite.
Bateria solară ar putea da cevaenergia primită pentru electroliză. În acest caz, celulele fotovoltaice conectate la acesta ar participa la legarea dioxidului de carbon și la scindarea apei pentru a produce hidrogen, care, la rândul său, este un combustibil prietenos cu mediul.
Dezvoltarea catalizatorilor pentru astfel de procesene-ar permite să nu ne limităm la reproducerea fotosintezei obișnuite, ci să sintetizăm, de exemplu, proteine sau enzime. Am învățat deja cum să scalam panourile solare, astfel încât să putem scala celulele fotovoltaice împreună cu ele.
De asemenea, astfel de tehnologii ar putea contribui la descompunerea deșeurilor toxice sau a plasticului, producând hidrogen și energie ca producție.
Citeste mai mult:
Aisbergul gigant A74 se ciocnește de coasta Antarcticii
Două noi specii de dinozauri descoperite în China
Care este efectul Kessler și, de asemenea, când și la ce va duce coliziunea sateliților pe orbită?