MIKÄ ON FOTOLYYSI? - BIOLOGIA - 2025

Fotolyysi on kemiallinen prosessi jonka nojalla valon absorptio (säteilyn energia) mahdollistaa jakautuminen molekyylin pienempiin komponentteihin. Toisin sanoen valo tarjoaa tarvittavan energian molekyylin hajottamiseksi sen komponenttiosiksi. Se tunnetaan myös nimellä fotohajoaminen tai fotodissosiaatio.

Esimerkiksi veden fotolyysi on välttämätöntä monimutkaisten elämänmuotojen olemassaololle planeetalla. Tämän suorittavat kasvit käyttämällä auringonvaloa. Vesimolekyylien (H ₂ O) hajoaminen johtaa molekyylin happea (O ₂): vetyä käytetään pelkistävän voiman varastointiin.

Yleisesti ottaen voidaan sanoa, että fotolyyttisiin reaktioihin sisältyy fotonin imeytyminen. Tämä tulee eri aallonpituuksien säteilyenergiasta, ja siksi erilaisilla energiamääräillä.

Kun fotoni on absorboitunut, voi tapahtua kaksi asiaa. Yhdessä niistä molekyyli absorboi energiaa, kiihtyy ja päätyy sitten rentoutumaan. Toisaalta tuo energia mahdollistaa kemiallisen sidoksen katkeamisen. Tämä on fotolyysi.

Tämä prosessi voidaan kytkeä muiden sidosten muodostumiseen. Ero absorption välillä, joka aiheuttaa muutoksia, sellaiseksi, jota ei kutsuta kvanttisatoksi.

Se on erityinen jokaiselle fotonille, koska se riippuu energialähteiden lähteestä. Kvanttisaanto määritellään modifioitujen reagenssimolekyylien lukumääränä absorboitunutta fotonia kohti.

Fotolyysi elävissä asioissa

Veden fotolyysi ei ole jotain, mikä tapahtuu spontaanisti. Toisin sanoen auringonvalo ei hajotta vedyn sidoksia happea kanssa vain siksi. Veden fotolyysi ei ole jotain, mitä vain tapahtuu, se tehdään. Ja elävät organismit, jotka pystyvät suorittamaan fotosynteesiä, tekevät.

Tämän prosessin suorittamiseksi fotosynteettiset organismit turvautuvat fotosynteesin ns. Kevyisiin reaktioihin. Ja tämän saavuttamiseksi he tietysti käyttävät biologisia molekyylejä, joista tärkein on klorofylli P680.

Ns. Hill-reaktiossa useat elektronin kuljetusketjut mahdollistavat molekyylin hapen, energian ATP: n muodossa ja vähentävän tehon NADPH: n muodossa veden fotolyysistä.

Kaksi viimeistä tuotteisiin kevyen faasin käytetään pimeässä vaiheessa fotosynteesin (tai Calvin Cycle) omaksua CO ₂ ja tuottaa hiilihydraatit (sokerit).

Valokuvasysteemit I ja II

Näitä kuljetusketjuja kutsutaan valosysteemeiksi (I ja II) ja niiden komponentit sijaitsevat kloroplasteissa. Jokainen niistä käyttää erilaisia ​​pigmenttejä ja ne absorboivat eri aallonpituuksilla valoa.

Koko ryhmittymän keskeinen elementti on kuitenkin valonkeräyskeskus, joka koostuu kahdesta tyypistä klorofylliä (a ja b), erilaisista karotenoideista ja 26 kDa: n proteiinista.

Sitoutuneet fotonit siirretään sitten reaktiokeskuksiin, joissa jo mainitut reaktiot tapahtuvat.

Molekyylivety

Toinen tapa, että elävät asiat ovat käyttäneet fotolyysin veden käsittää sukupolven molekyyli vety (H ₂). Vaikka elävät esineet voivat tuottaa molekyylivetyä muilla tavoilla (esimerkiksi bakteerientsyymiformatohydrogenolyyasin vaikutuksesta), veden tuotanto on yksi taloudellisimmista ja tehokkaimmista.

Tämä on prosessi, joka näyttää lisävaiheena veden hydrolyysin jälkeen tai riippumattomana siitä. Tässä tapauksessa organismit, jotka kykenevät suorittamaan valoreaktiot, kykenevät tekemään jotain ylimääräistä.

Veden fotolyysistä johdettujen H ⁺ (protonien) ja e- (elektronien) käyttöä H _{2: n} luomiseksi on raportoitu vain syanobakteereissa ja vihreissä levässä. Epäsuoraan muodossa, tuotanto H ₂ myöhemmin kuin fotolyysin vettä ja sukupolven hiilihydraatteja.

Sitä suorittavat molemmat organismit. Toinen tapa, suora fotolyysi, on vielä mielenkiintoisempi ja sitä suorittavat vain mikrolevät. Tämä tarkoittaa kanavointia elektronien johdettu valo jakauma fotosysteemi II vettä suoraan entsyymillä, joka tuottaa H ₂ (hydrogenaasientsyymin).

Tämä entsyymi on kuitenkin erittäin herkkä läsnäolo O ₂. Molekyylin vedyn biologinen tuotanto veden fotolyysillä on aktiivisen tutkimuksen ala. Sen tavoitteena on tarjota halpoja ja puhtaan energiantuotannon vaihtoehtoja.

Ei-biologinen fotolyysi

Otsonin hajoaminen ultraviolettivalon vaikutuksesta

Yksi tutkituimmista ei-biologisista ja spontaaneista fotolyysistä on otsonin hajoamista ultraviolettivalon (UV) vaikutuksesta. Otsoni, hapen atsotrooppi, koostuu kolmesta alkuaineen atomista.

Otsonia on läsnä ilmakehän eri alueilla, mutta se kertyy yhteen, jota kutsumme otsonipalloksi. Tämä korkean otsonipitoisuuden vyöhyke suojaa kaikenlaista elämää UV-valon vahingollisilta vaikutuksilta.

Vaikka UV-valolla on erittäin tärkeä merkitys sekä otsonin muodostumisessa että hajoamisessa, se edustaa yhtä tunnetuimmista tapauksista, joissa molekyylin hajoaminen säteilyenergian avulla.

Toisaalta se osoittaa, että paitsi näkyvä valo ei pysty tarjoamaan aktiivisia fotoneja hajoamiseksi. Lisäksi yhdessä biologisten aktiivisuuksien kanssa elintärkeän molekyylin tuottamiseksi se myötävaikuttaa happisyklin olemassaoloon ja säätelyyn.

Muut prosessit

Fotodissosiaatio on myös tärkein molekyylien hajoamisen lähdevälisessä tilassa. Muilla fotolyysiprosesseilla, tällä kertaa ihmisten manipuloimilla, on teollista, perustieteellistä ja sovellettua merkitystä.

Veden antropogeenisten yhdisteiden valohajoamiseen kiinnitetään yhä enemmän huomiota. Ihmisen toiminta määrää, että monissa tapauksissa veteen pääsee antibiootteja, lääkkeitä, torjunta-aineita ja muita synteettistä alkuperää olevia yhdisteitä.

Yksi tapa tuhota tai ainakin vähentää näiden yhdisteiden aktiivisuutta on reaktioiden kautta, joihin sisältyy valoenergian käyttö näiden molekyylien spesifisten sidosten katkaisemiseksi.

Biotieteissä on hyvin yleistä löytää monimutkaisia ​​fotoreaktiivisia yhdisteitä. Kun jotkut niistä ovat soluissa tai kudoksissa, ne altistetaan tietyntyyppiselle valonsäteilylle niiden hajottamiseksi.

Tämä synnyttää toisen yhdisteen, jonka seuranta tai havaitseminen mahdollistaa monien peruskysymysten vastaamisen.

Muissa tapauksissa havaitsemisjärjestelmään kytketyillä fotodissosiaatioreaktioista johdettujen yhdisteiden tutkimus mahdollistaa monimutkaisten näytteiden globaalien koostumustutkimusten suorittamisen.

Viitteet

1. Brodbelt, JS (2014) Photodissociation massaspektrometria: Uudet työkalut biologisten molekyylien karakterisointiin. Chemical Society Reviews, 43: 2757 - 2783.
2. Cardona, T., Shao, S., Nixon, PJ (2018) Kasvien fotosynteesin parantaminen: valoreaktiot. Esseet biokemiassa, 13: 85-94.
3. Oey, M., Sawyer,. AL, Ross, IL, Hankamer, B. (2016) Haasteet ja mahdollisuudet vedyn tuotannolle mikrolevästä. Plant Biotechnology Journal, 14: 1487 - 1499.
4. Shimizu, Y., Boehm, H., Yamaguchi, K., Spatz, JP, Nakanishi, J. (2014) Fotoaktivoitava nanopatterinen substraatti kollektiivisen solujen migraation analysoimiseksi tarkasti viritettyjen solujen ja solujen ulkopuolisen matriisin ligandien välisillä vuorovaikutuksilla. PLoS ONE, 9: e91875.
5. Yan, S., Song, W. (2014) Farmaseuttisesti aktiivisten yhdisteiden valokuvanmuutos vesipitoisessa ympäristössä: katsaus. Ympäristötiede. Prosessit ja vaikutukset, 16: 697-720.