Hur sker fotosyntesreaktionen?
Kärnan i fotosyntesen är att energin av synligt ljus omvandlas till
Med andra ord, med hjälp av ljusenergi kroppentar bort elektroner från molekylen och överför dem till koldioxidmolekyler, reducerar dem och omvandlar dem till molekyler av organiskt material, som sedan kan oxideras igen och få energi.
Hela systemet med växtfotosyntesreaktioner i ett schema: 6СО2 + 6H2O = glukos (С6H12О6) + 6О2
En av de viktigaste stadierna i detta komplex ochflerstegsprocess - bindning av koldioxid. När detta händer kopplas koldioxid till en förening som kallas ribulosa (1,5) bisfosfat, ett socker med två fosfatgrupper.
Och denna reaktion styrs av ett enzym - ribulosbisfosfatkarboxylas, eller Rubisco (RuBisCO).
RuBisCO är ett enzym som är ett komplett komplex av 16 proteinkedjor samtidigt.De flesta enzymer katalyserar tusentals kemiska transformationer varje sekund.
Rubisco hanterar dock bara 3 till 10koldioxidmolekyler, beroende på förhållanden. En så låg kvalitet på enzymet kan bara kompenseras av dess kvantitet: i vikt står det för upp till 30% av alla vattenlösliga växtproteiner, vilket gör det till det mest förekommande proteinet på planeten.
Kloroplaster i bladceller
Typer av fotosyntes
Levande organismer har två typer av pigment som kan utföra funktionen av fotosyntetiska mottagare (antenner).
I de allra flesta organismer, antennernas rollklorofyller spela; mindre vanligt är fallet där vitamin A -derivatet retinal fungerar som en antenn. I enlighet med detta särskiljs klorofyll och klorofyllfri fotosyntes.
- Klorofyllfri fotosyntes
Det klorofyllfria fotosyntessystemet är annorlundabetydande enkelhet i organisationen, i samband med vilken det evolutionärt antas vara den primära mekanismen för att lagra energin från elektromagnetisk strålning. Effektiviteten av klorofyllfri fotosyntes som en mekanism för energiomvandling är relativt låg (endast en H + överförs per absorberad kvant).
- Klorofyllfotosyntes
Klorofyllfotosyntesen skiljer sig frånbacteriorhodopsin med betydligt högre energilagringseffektivitet. Minst en H + överförs till varje effektivt absorberad kvantitet av strålning mot gradienten.
Anoxygeniskt
Anoxygen (eller anoxisk) fotosyntes sker utan syreutveckling. Lila och gröna bakterier, liksom heliobakterier, kan anoxygenisk fotosyntes.
Syrehaltig
Syre- eller syresyra fotosyntesåtföljs av utsläpp av syre som en biprodukt. Vid syresynt fotosyntes sker icke-cyklisk elektrontransport, men under vissa fysiologiska förhållanden sker endast cyklisk elektrontransport. En extremt svag elektrondonator, vatten, används som elektrondonator i ett icke-cykliskt flöde.
Hunger i jordbruket
Världens befolkning, trots den andraden demografiska förändringen växer ständigt. Om vi kunde öka fertiliteten efter behag i proportion till befolkningsökningen skulle det inte vara några större problem.
Men idag har människor bemästrat ungefär en tredjedelmark som lämpar sig för jordbruk. Nästan alla lämpliga territorier i Sydasien, Mellanöstern och Nordamerika har redan plöjts, och utvecklingen av de återstående områdena hotar oss med erosion.
Platsen på planeten kan helt enkelt ta slut, så vi måste hitta nya sätt att öka matproduktionen. Detta har redan gjorts tidigare.
Förra gången detta hände berodde på det "grönarevolution "50-70-talet under förra seklet. Sedan gjorde uppfödningen av nya spannmålssorter med hög avkastning, införandet av bekämpningsmedel och avancerade bevattningssystem det möjligt att dramatiskt - nästan två gånger - öka avkastningen.
Hur man påskyndar fotosyntesen
Hörnstenen i detta problem är rubisco, ett enzym som vi redan har diskuterat.
Detta visade sig dock inte vara så lätt. Riktad mutagenes av enskilda aminosyrarester ledde inte till några märkbara resultat.
Metoden för direkt evolution tillämpades också på honom.enzymer: det skapar en enorm samling av Rubisco-genvarianter genom att introducera slumpmässiga mutationer. All denna sort användes på E. coli - Escherichia coli... Med hjälp av detta tillvägagångssätt kunde forskarna öka aktiviteten hos Rubisco cyanobakterier, som fungerar utmärkt i E. coli -celler.
Men en liknande metod fungerade inte med växter.Dessutom är detta enzym sammansatt från delar av två olika "tillverkare": generna som kodar för Rubisco-kedjorna finns inte bara i cellkärnan, utan också i kloroplastgenomet, vilket komplicerar deras manipulation. Forskare måste arbeta med två genom samtidigt med olika genetiska modifieringstekniker.
Men forskarna gav inte upp.De kom på en ny idé: att öka mängden rubisco, eftersom växternas blad bokstavligen är fyllda med det. För att göra detta använde författarna GMO-metoder. Det var dock inte tillräckligt med överuttryck av Rubisco-gener - Något annat saknades för att sätta ihop enzymet.
Under åren visade det sig att i församlingenRubisco deltar samtidigt i flera proteinförpackare - RAF1 och RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Dessa vikningsproteiner (kallade chaperones) tenderar att stabilisera den skördade proteinkedjan under montering, vilket ger den tid att vika ordentligt.
Detta var problemet med tidigare verk:Rubisco-gener syntetiserade faktiskt aktivt proteinets "byggstenar" av enzymet, men bristen på chaperoner tillät inte sammansättningen av en tillräcklig mängd Rubisco från halvfärdiga polypeptidkedjor. Antalet chaperoner behövde också utökas.
Därför tog författarna hänsyn till dessa förhållanden och som ett resultat ökade det totala rubiscoinnehållet i bladen av transgen majs med 30%.
På grund av detta är inte allt extra enzym allsblev involverad i fotosyntesprocessen. Men trots allt växte den slutliga fixeringen av koldioxid ändå med 15%, detta påskyndade väsentligt tillväxten av GM -majs.
Som ett resultat av en studie av kinesiska forskare 2020 var det möjligt att påskynda fotosyntesen av alger och blommor. Forskare påskyndar fotosyntesen av grönalgerChlorella pyrenoidosaoch högre växterArabidopsis thalianamed användning av en ljusskördande polymer. Polymeren ökade sin aktivitet i fotosyntetiska system på grund av elektrostatisk och hydrofob bindning till väggarna i fotosyntetiska celler.
Enligt författarna, tack vare den goda förmåganför att absorbera grönt ljus, vattenlöslighet och biokompatibilitet är dessa syntetiska polymerer potentiellt lämpliga för användning vid produktion av biobränslen, samt energi och miljöutveckling.
slutsats
För närvarande fotovoltaiska celler,de verkar i en vattenhaltig miljö, de är effektiva, men klart ofullkomliga. Konstgjord fotosyntes är fortfarande ganska effektivt som ett verktyg för att binda atmosfäriskt kol, och ger samtidigt ett stabilt flöde av laddade partiklar (protoner och elektroner).
Således kunde fotosyntetiska celler kombineras med solpaneler - till exempel redan installerade på taket på privata hus i USA.
Solbatteriet kan ge bort en delenergi som tas emot för elektrolys. I det här fallet skulle solceller anslutna till den delta i bindningen av koldioxid och spjälkning av vatten för att producera väte, som i sin tur är ett miljövänligt bränsle.
Utveckling av katalysatorer för sådana processerskulle tillåta oss att inte begränsa oss till att reproducera vanlig fotosyntes, utan att syntetisera till exempel proteiner eller enzymer. Vi har redan lärt oss hur man skalar solpaneler, så vi kan skala solceller tillsammans med dem.
Sådan teknik kan också bidra till sönderdelning av giftigt avfall eller plast, vilket ger väte och energi som utgång.
Läs mer:
Giant isberg A74 krockar med Antarktis kust
Två nya dinosaurier upptäcktes i Kina
Vad är Kessler -effekten, och även när och vad kommer kollisionen mellan satelliter i omloppsbana att leda till?