KAS IR FOTOLĪZE? - BIOLOĢIJA - 2025

Fotolīze ir ķīmisks process, saskaņā ar kuru ir gaismas absorbcija (starojuma enerģija) ļauj sadalījumu molekulas mazākos komponentiem. Tas ir, gaisma nodrošina enerģiju, kas nepieciešama molekulas sadalīšanai tās sastāvdaļās. To pazīst arī ar fotodekompozīcijas vai fotodisociācijas nosaukumiem.

Piemēram, ūdens fotolīze ir būtiska sarežģītu dzīvības formu pastāvēšanai uz planētas. To veic augi, izmantojot saules gaismu. Ūdens molekulu (H ₂ O) sadalīšanās rezultātā rodas molekulārais skābeklis (O ₂ ): reducējošās enerģijas uzkrāšanai tiek izmantots ūdeņradis.

Kopumā mēs varam teikt, ka fotolītiskās reakcijas ietver fotona absorbciju. Tas nāk no dažādu viļņu garumu starojuma enerģijas un tāpēc ar atšķirīgu enerģijas daudzumu.

Kad fotons ir absorbēts, var notikt divas lietas. Vienā no tām molekula absorbē enerģiju, satraukti un pēc tam nonāk relaksācijā. Otrkārt, šī enerģija ļauj salauzt ķīmisko saiti. Šī ir fotolīze.

Šo procesu var saistīt ar citu obligāciju veidošanos. Starpība starp absorbciju, kas rada izmaiņas, uz tādu, kas netiek saukta par kvantu ražu.

Tas ir īpašs katram fotonam, jo ​​tas ir atkarīgs no enerģijas emisijas avota. Kvantu raža tiek definēta kā modificētu reaģenta molekulu skaits uz absorbēto fotonu.

Fotolīze dzīvās lietās

Ūdens fotolīze nav kaut kas tāds, kas notiek spontāni. Tas ir, saules gaisma nesadala ūdeņraža saites ar skābekli tikai tāpēc, ka. Ūdens fotolīze nav kaut kas vienkārši notiek, tā tiek veikta. Un to dara dzīvie organismi, kas ir spējīgi veikt fotosintēzi.

Lai veiktu šo procesu, fotosintētiskie organismi izmanto tā saucamās fotosintēzes gaismas reakcijas. Un, lai to panāktu, viņi acīmredzami izmanto bioloģiskās molekulas, no kurām vissvarīgākais ir hlorofils P680.

Tā sauktajā Hila reakcijā vairākas elektronu transporta ķēdes ļauj ūdens fotolīzē iegūt molekulāro skābekli, enerģiju ATP formā un reducējošo jaudu NADPH formā.

Pēdējie divi šīs gaismas fāzes produkti tiks izmantoti fotosintēzes tumšajā fāzē (vai Kalvina ciklā), lai asimilētu CO ₂ un iegūtu ogļhidrātus (cukurus).

I un II fotosistēmas

Šīs transporta ķēdes sauc par fotosistēmām (I un II), un to sastāvdaļas atrodas hloroplastos. Katrā no tām tiek izmantoti dažādi pigmenti, un tie absorbē dažāda viļņa garuma gaismu.

Tomēr visa konglomerāta centrālais elements ir gaismas savākšanas centrs, kas sastāv no divu veidu hlorofila (a un b), dažādiem karotinoīdiem un 26 kDa olbaltumvielām.

Pēc tam notvertie fotoni tiek pārvietoti uz reakcijas centriem, kuros notiek jau minētās reakcijas.

Molekulārais ūdeņradis

Vēl viens veids, kā dzīvās lietas izmanto ūdens fotolīzi, ietver molekulārā ūdeņraža (H ₂ ) veidošanos. Lai arī dzīvās lietas molekulāro ūdeņradi var ražot citos veidos (piemēram, ar baktēriju enzīma formatohidrogenolāzes palīdzību), ražošana no ūdens ir viena no ekonomiskākajām un efektīvākajām.

Šis ir process, kas parādās kā papildu solis pēc ūdens hidrolīzes vai neatkarīgi no tā. Šajā gadījumā organismi, kas spēj veikt gaismas reakcijas, ir spējīgi izdarīt kaut ko papildus.

Par H ⁺ (protonu) un e- (elektronu) izmantošanu, kas iegūti no ūdens fotolīzes, H ₂ radīšanai ziņots tikai zilaļģēm un zaļajām aļģēm. Netiešā veidā H ₂ veidojas pēc ūdens fotolīzes un ogļhidrātu veidošanās.

To veic abu veidu organismi. Otrs veids, tieša fotolīze, ir vēl interesantāks, un to veic tikai mikroaļģes. Tas ietver elektronu novadīšanu, kas iegūts II fotosistēmas gaismas sadalīšanās rezultātā tieši fermentam, kas ražo H ₂ (hidrogenāzi).

Šis ferments tomēr ir ļoti jutīgs pret O ₂ klātbūtni . Molekulārā ūdeņraža bioloģiskā ražošana ar ūdens fotolīzi ir aktīvu pētījumu joma. Tās mērķis ir nodrošināt lētas un tīras enerģijas ražošanas alternatīvas.

Nebioloģiskā fotolīze

Ozona noārdīšana ultravioletās gaismas ietekmē

Viena no visvairāk izpētītajām nebioloģiskajām un spontānajām fotolīzēm ir ozona noārdīšana ultravioletās (UV) gaismas ietekmē. Ozons, skābekļa azotrops, sastāv no trim elementa atomiem.

Ozons atrodas dažādos atmosfēras apgabalos, bet tas uzkrājas vienā, ko mēs saucam par ozonosfēru. Šī zona ar augstu ozona koncentrācijas līmeni aizsargā visas dzīvības formas no UV gaismas kaitīgās ietekmes.

Lai arī UV gaismai ir ļoti liela nozīme gan ozona veidošanā, gan noārdīšanā, tā ir viens no simboliskākajiem gadījumiem, kad molekulārā sadalīšanās notiek ar starojuma enerģiju.

No vienas puses, tas norāda, ka ne tikai redzamā gaisma spēj nodrošināt aktīvus fotonus noārdīšanai. Turklāt tas kopā ar bioloģiskajām aktivitātēm dzīvībai svarīgās molekulas ģenerēšanai veicina skābekļa cikla esamību un regulēšanu.

Citi procesi

Fotodissociācija ir arī galvenais molekulu sadalīšanās avots starpzvaigžņu telpā. Citiem fotolīzes procesiem, ar kuriem šoreiz manipulē cilvēki, ir rūpnieciska, fundamentāla zinātniska un lietišķa nozīme.

Arvien lielāku uzmanību pievērš antropogēno savienojumu fotodegradācijai ūdenī. Cilvēka darbība nosaka, ka daudzos gadījumos antibiotikas, narkotikas, pesticīdi un citi sintētiskas izcelsmes savienojumi nonāk ūdenī.

Viens no veidiem, kā iznīcināt vai vismaz samazināt šo savienojumu aktivitāti, ir reakcijas, kas ietver gaismas enerģijas izmantošanu, lai sadalītu specifiskas saites šajās molekulās.

Bioloģiskajās zinātnēs ir ļoti bieži sastopami sarežģīti fotoreaktīvi savienojumi. Kad tie atrodas šūnās vai audos, daži no tiem tiek pakļauti kāda veida gaismas starojumam, lai tos sadalītu.

Tas rada cita savienojuma parādīšanos, kura uzraudzība vai noteikšana ļauj atbildēt uz daudziem pamata jautājumiem.

Citos gadījumos to savienojumu izpēte, kas iegūti no fotodisociācijas reakcijas, kas savienota ar noteikšanas sistēmu, ļauj veikt kompleksu paraugu globālos sastāva pētījumus.

Atsauces

1. Brodbelt, JS (2014) Fotodisociācijas masas spektrometrija: Jauni rīki bioloģisko molekulu raksturošanai. Chemical Society Reviews, 43: 2757-2783.
2. Cardona, T., Shao, S., Nixon, PJ (2018) Fotosintēzes uzlabošana augos: gaismas reakcijas. Esejas bioķīmijā, 13: 85-94.
3. Oey, M., Sawyer ,. AL, Ross, IL, Hankamer, B. (2016) Izaicinājumi un iespējas ūdeņraža ražošanai no mikroaļģēm. Augu biotehnoloģijas žurnāls, 14: 1487-1499.
4. Shimizu, J. PLOS ONE, 9: e91875.
5. Yan, S., Song, W. (2014) Farmaceitiski aktīvo savienojumu foto transformācija ūdens vidē: pārskats. Vides zinātne. Procesi un ietekmes, 16: 697-720.