Τι είναι η φωτόλυση;



Το φωτόλυση Πρόκειται για μια χημική διαδικασία με την οποία η απορρόφηση του φωτός (ενέργεια ακτινοβολίας) επιτρέπει τη θραύση ενός μορίου σε μικρότερα συστατικά. Δηλαδή, το φως παρέχει την ενέργεια που απαιτείται για να σπάσει ένα μόριο στα συστατικά μέρη του. Είναι επίσης γνωστό με τα ονόματα της φωτοσύνθεσης ή της φωτοδιάσπασης.

Η φωτόλυση του νερού, για παράδειγμα, είναι θεμελιώδης για την ύπαρξη σύνθετων μορφών ζωής στον πλανήτη. Αυτό γίνεται από φυτά που χρησιμοποιούν ηλιακό φως. Η διάσπαση των μορίων του νερού (Η2Ο) καταλήγει σε μοριακό οξυγόνο (Ο2): το υδρογόνο χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της μειωτικής ισχύος.

Σε γενικές γραμμές, μπορούμε να πούμε ότι οι φωτολυτικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν την απορρόφηση ενός φωτονίου. Αυτό προέρχεται από μια ακτινοβολούμενη ενέργεια διαφορετικών μηκών κύματος και επομένως με διαφορετικές ποσότητες ενέργειας.

Μόλις απορροφηθεί το φωτόνιο, μπορούν να συμβούν δύο πράγματα. Σε ένα από αυτά, το μόριο απορροφά ενέργεια, γίνεται ενθουσιασμένος και στη συνέχεια χαλαρώνει. Στην άλλη, η ενέργεια αυτή επιτρέπει τη διάσπαση ενός χημικού δεσμού. Αυτή είναι η φωτόλυση.

Αυτή η διαδικασία μπορεί να συνδυαστεί με τη δημιουργία άλλων συνδέσμων. Η διαφορά μεταξύ μιας απορρόφησης που δημιουργεί αλλαγές σε μία που δεν ονομάζεται κβαντική απόδοση.

Είναι ιδιαίτερο για κάθε φωτόνιο, επειδή εξαρτάται από την πηγή εκπομπής ενέργειας. Η κβαντική απόδοση ορίζεται ως ο αριθμός των μορίων αντιδρώντων που τροποποιούνται ανά απορροφώμενο φωτόνιο.

Ευρετήριο

  • 1 Φωτόλυση σε έμβια όντα
    • 1.1 Φωτοσυστήματα Ι και ΙΙ
    • 1.2 Μοριακό υδρογόνο
  • 2 Μη βιολογική φωτόλυση
  • 3 Αναφορές

Φωτόλυση σε ζωντανά όντα

Η φωτόλυση του νερού δεν είναι κάτι που συμβαίνει αυθόρμητα. Δηλαδή, το φως του ήλιου δεν σπάει τους δεσμούς υδρογόνου με οξυγόνο μόνο και μόνο επειδή. Η φωτόλυση του νερού δεν είναι κάτι που συμβαίνει απλά, γίνεται. Και το ίδιο συμβαίνει και με τους ζωντανούς οργανισμούς που είναι ικανοί να κάνουν φωτοσύνθεση.

Για να διεξαχθεί αυτή η διαδικασία, οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί καταφεύγουν στις αποκαλούμενες αντιδράσεις του φωτός της φωτοσύνθεσης. Και για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιούν, προφανώς, βιολογικά μόρια, το πιο σημαντικό από τα οποία είναι η χλωροφύλλη P680.

Στην λεγόμενη αντίδραση Hill, διάφορα μεταφορέα αλυσίδες επιτρέπουν ηλεκτρόνια από φωτόλυση ύδατος μοριακό οξυγόνο, ενέργεια με τη μορφή του ΑΤΡ και τη μείωση ισχύος επιτυγχάνεται με τη μορφή NADPH.

Τα δύο τελευταία προϊόντα αυτής της φωτεινούς φάσης θα χρησιμοποιηθούν στη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης (ή κύκλος Calvin) για την αφομοίωση του CO2 και να παράγουν υδατάνθρακες (σάκχαρα).

Φωτοσυστήματα Ι και ΙΙ

Αυτές οι μεταφορικές αλυσίδες ονομάζονται φωτοσυστήματα (Ι και ΙΙ) και τα συστατικά τους βρίσκονται στους χλωροπλάστες. Κάθε ένα από αυτά χρησιμοποιεί διαφορετικές χρωστικές και απορροφά φως διαφορετικών μηκών κύματος.

Το κεντρικό στοιχείο του όλου συμπλέγματος, ωστόσο, το φως συλλέκτης σχηματίζεται από δύο τύπους χλωροφύλλης (α και β), διάφορα καροτενοειδή και το κέντρο 26 kDa πρωτεΐνη.

Τα συλληφθέντα φωτόνια μεταφέρονται έπειτα στα κέντρα αντίδρασης στα οποία συμβαίνουν οι αντιδράσεις που έχουν ήδη αναφερθεί.

Μοριακό υδρογόνο

Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο τα ζωντανά όντα χρησιμοποίησαν τη φωτόλυση νερού περιλαμβάνει τη δημιουργία μοριακού υδρογόνου (Η2). Παρά το γεγονός ότι οι ζωντανοί οργανισμοί μπορούν να παράγουν μοριακού υδρογόνου με άλλους τρόπους (για παράδειγμα με τη δράση του ενζύμου formiatohidrogenoliasa βακτηριακό) παραγωγή από το νερό είναι ένα από τα πιο οικονομική και αποτελεσματική.

Αυτή είναι μια διαδικασία που εμφανίζεται ως ένα πρόσθετο βήμα αργότερα ή ανεξάρτητη από την υδρόλυση του νερού. Στην περίπτωση αυτή, οι οργανισμοί που είναι ικανοί να διεξάγουν τις αντιδράσεις του φωτός είναι ικανοί να κάνουν κάτι επιπλέον.

Η χρήση του Η+ (πρωτόνια) και το ηλεκτρόνιο (ηλεκτρόνια) που προέρχονται από την φωτόλυση του ύδατος για τη δημιουργία του Η2 έχει αναφερθεί μόνο σε κυανοβακτήρια και πράσινα άλγη. Στην έμμεση μορφή, η παραγωγή του Η2 είναι μετά τη φωτόλυση του νερού και την παραγωγή υδατανθράκων.

Διεξάγεται και από τους δύο τύπους οργανισμών. Η άλλη μορφή, η άμεση φωτόλυση, είναι ακόμα πιο ενδιαφέρουσα και πραγματοποιείται μόνο από μικροφύκη. Αυτό περιλαμβάνει τη διοχέτευση των ηλεκτρονίων που προέρχονται από την ελαφρά ρήξη του νερού από το φωτοσύστημα II απευθείας στο ένζυμο παραγωγής Η.2 (υδρογονάση).

Αυτό το ένζυμο, ωστόσο, είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στην παρουσία του Ο2. Η βιολογική παραγωγή μοριακού υδρογόνου με φωτόλυση νερού είναι μια περιοχή ενεργητικής έρευνας. Σκοπός του είναι να προσφέρει εναλλακτικές λύσεις φθηνής και καθαρής ενέργειας.

Μη βιολογική φωτόλυση

Αποικοδόμηση του όζοντος από υπεριώδες φως

Μία από τις πιο μελετημένες μη βιολογικές και αυθόρμητες φωτολύσεις είναι η αποικοδόμηση του όζοντος με υπεριώδες (UV) φως. Το όζον, ένα αζωτρόπιο οξυγόνο, αποτελείται από τρία άτομα του στοιχείου.

Το όζον είναι παρόν σε διάφορες περιοχές της ατμόσφαιρας, αλλά συσσωρεύεται σε μία ονομάζεται οζονόσφαιρα. Αυτή η ζώνη υψηλής συγκέντρωσης όζοντος προστατεύει όλες τις μορφές ζωής από τις επιβλαβείς επιδράσεις του υπεριώδους φωτός.

Παρά το γεγονός ότι το υπεριώδες φως παίζει σημαντικό ρόλο στην παραγωγή και το όζον υποβάθμισης, αντιπροσωπεύει μια από τις πλέον αντιπροσωπευτικές περιπτώσεις των μοριακών διάλειμμα ακτινοβολούμενης ενέργειας.

Από τη μία πλευρά, δείχνει ότι όχι μόνο το ορατό φως είναι ικανό να παρέχει ενεργά φωτόνια για υποβάθμιση. Επιπλέον, σε συνδυασμό με τις βιολογικές δραστηριότητες δημιουργίας του ζωτικού μορίου, συμβάλλει στην ύπαρξη και ρύθμιση του κύκλου οξυγόνου.

Άλλες διαδικασίες

Η φωτοσύνδεση είναι επίσης η κύρια πηγή ρήξης μορίων στο διαστρικό διάστημα. Άλλες διαδικασίες φωτόλυσης, που χειρίζονται αυτή τη φορά από τον άνθρωπο, έχουν βιομηχανική, βασική επιστημονική και εφαρμοσμένη σημασία.

Η φωτοαποικοδόμηση των ανθρωπογενών ενώσεων στα νερά λαμβάνει αυξημένη προσοχή. Η ανθρώπινη δραστηριότητα καθορίζει ότι σε πολλές περιπτώσεις αντιβιοτικά, φάρμακα, παρασιτοκτόνα και άλλες ενώσεις συνθετικής προέλευσης καταλήγουν στο νερό.

Ένας τρόπος για να καταστρέψει ή τουλάχιστον μειώνουν τη δραστικότητα αυτών των ενώσεων είναι μέσω αντιδράσεων που περιλαμβάνουν τη χρήση της φωτεινής ενέργειας για να σπάσει συγκεκριμένους συνδέσμους των εν λόγω μορίων.

Στις βιολογικές επιστήμες είναι πολύ συνηθισμένη η εύρεση σύνθετων φωτοαντιδραστικών ενώσεων. Μόλις παρουσιαστούν σε κύτταρα ή ιστούς, μερικά από αυτά υποβάλλονται σε κάποιο είδος ακτινοβολίας φωτός για να τα σπάσουν.

Αυτό δημιουργεί την εμφάνιση μιας άλλης ένωσης, της οποίας η παρακολούθηση ή η ανίχνευση μας επιτρέπουν να απαντήσουμε σε μια πληθώρα βασικών ερωτήσεων.

Σε άλλες περιπτώσεις, η μελέτη των ενώσεων που προέρχονται από μια αντίδραση φωτοπολλαπλασιασμού συζευγμένη με ένα σύστημα ανίχνευσης καθιστά δυνατή τη διεξαγωγή συνολικών μελετών σχετικά με τη σύνθεση σύνθετων δειγμάτων.

Αναφορές

  1. Brodbelt, J. S. (2014) Φωτομετρική φασματομετρία μάζας: Νέα εργαλεία για τον χαρακτηρισμό των βιολογικών μορίων. Chemical Society Reviews 43: 2757-2783.
  2. Cardona, Τ., Shao, S., Nixon, Ρ. J. (2018) Βελτίωση της φωτοσύνθεσης στα φυτά: οι αντιδράσεις φωτός. Δοκίμια στη Βιοχημεία, 13: 85-94.
  3. Oey, M., Sawyer,. Α. L., Ross, Ι. L., Hankamer, Β. (2016) Προκλήσεις και ευκαιρίες για παραγωγή υδρογόνου από μικροφύκη. Plant Biotechnology Journal, 14: 1487-1499.
  4. Shimizu, Υ, Boehm, H., Yamaguchi, Κ, Spatz, Ρ J., Nakanishi, J. (2014) Α φωτοενεργοποιούμενα nanopatterned Υπόστρωμα για Αναλύοντας Collective κυττάρων κυτταρική μετανάστευση Με Tuned Ακριβώς Extracellular Matrix-Ligand Interactions. PLoS ONE, 9: e91875.
  5. Yan, S., Song, W. (2014) Φωτο-μετασχηματισμός φαρμακευτικώς δραστικών ενώσεων στο υδατικό περιβάλλον: μια επισκόπηση. Περιβαλλοντική επιστήμη. Processes & ES, 16: 697-720.