KAJ JE FOTOLIZA? - BIOLOGIJA - 2026

Fotoliza je kemični proces, na podlagi katerega absorpcija svetlobe (energije sevanja) omogoča razgradnjo molekule v manjših komponent. Se pravi, svetloba zagotavlja energijo, potrebno za razbijanje molekule na njene sestavne dele. Znana je tudi po imenih fotodekompozicije ali fotodisociacije.

Fotoliza vode je na primer bistvena za obstoj zapletenih življenjskih oblik na planetu. To izvajajo rastline, ki uporabljajo sončno svetlobo. Razpad molekul vode (H ₂ O) povzroči molekularni kisik (O ₂ ): vodik se uporablja za shranjevanje zmanjšane moči.

Na splošno lahko rečemo, da fotolitične reakcije vključujejo absorpcijo fotona. To izhaja iz sevalne energije različnih valovnih dolžin in s tem z različnimi količinami energije.

Ko se foton absorbira, se lahko zgodita dve stvari. V enem od njih molekula absorbira energijo, se vzburja in nato na koncu sprosti. V drugem ta energija omogoča pretrganje kemične vezi. To je fotoliza.

Ta postopek lahko povežemo z oblikovanjem drugih vezi. Razlika med absorpcijo, ki ustvarja spremembe, se spremeni v eno, ki se ne imenuje kvantni izkoristek.

Vsak foton je poseben, ker je odvisen od vira energije. Kvantni izkoristek je opredeljen kot število spremenjenih molekul reaktanta na absorbiran foton.

Fotoliza živih bitij

Fotoliza vode ni nekaj, kar se zgodi spontano. Se pravi, sončna svetloba ne razbije vodikovih vezi s kisikom samo zato. Fotoliza vode ni nekaj, kar se šele zgodi, to se naredi. In živi organizmi, ki lahko izvajajo fotosintezo.

Za izvajanje tega procesa se fotosintetski organizmi zatekajo k tako imenovanim svetlobnim reakcijam fotosinteze. In da to dosežejo, očitno uporabljajo biološke molekule, med katerimi je najpomembnejši klorofil P680.

V tako imenovani Hill reakciji več elektronskih transportnih verig omogoča molekularni kisik, energijo v obliki ATP in zmanjšanje moči v obliki NADPH, ki jo dobimo s fotolizo vode.

Zadnja dva izdelka te svetlobne faze se bosta uporabljala v temni fazi fotosinteze (ali ciklusa Calvin) za asimilacijo CO ₂ in proizvodnjo ogljikovih hidratov (sladkorjev).

Fotosistemi I in II

Te transportne verige se imenujejo fotosistemi (I in II), njihove komponente pa se nahajajo v kloroplastih. Vsak od njih uporablja različne pigmente in absorbirajo svetlobo različnih valovnih dolžin.

Osrednji element celotnega konglomerata pa je središče za zbiranje svetlobe, sestavljeno iz dveh vrst klorofila (a in b), različnih karotenoidov in 26 kDa proteina.

Zajeti fotoni se nato prenesejo v reakcijske centre, v katerih potekajo že omenjene reakcije.

Molekularni vodik

Drug način, da so živa bitja uporabili fotoliza vode vključuje nastajanje molekularnega vodika (H ₂ ). Čeprav lahko živa bitja proizvajajo molekularni vodik na druge načine (na primer z delovanjem bakterijskega encima formatohidrogenolyaze), je proizvodnja iz vode ena izmed najbolj ekonomičnih in učinkovitih.

To je postopek, ki se pokaže kot dodaten korak po hidrolizi vode ali neodvisen od nje. V tem primeru so organizmi, ki lahko izvajajo svetlobne reakcije, sposobni narediti nekaj dodatnega.

Uporaba H ⁺ (protoni) in e- (elektronov) izhaja iz fotolizo vode ustvariti H ₂ so poročali le cianobakterijah in zelenih alg. V posredni obliki nastaja proizvodnja H ₂ , ki sledi fotolizi vode in tvorbi ogljikovih hidratov.

Izvajajo ga obe vrsti organizmov. Drugi način, neposredna fotoliza, pa je še bolj zanimiv in ga izvajajo le mikroalge. To vključuje usmerjanje elektronov, ki izhajajo iz svetlobnega razčlenitev fotosistemu II vodi neposredno na encim, ki proizvaja H ₂ (hidrogenazo).

Ta encim pa je zelo občutljiva na prisotnost O ₂ . Biološka proizvodnja molekularnega vodika s fotolizo vode je področje aktivnih raziskav. Njegov cilj je zagotoviti poceni in čiste alternative za pridobivanje energije.

Nebiološka fotoliza

Razgradnja ozona z ultravijolično svetlobo

Ena najbolj preučenih nebioloških in spontanih fotolizem je razgradnja ozona z ultravijolično (UV) svetlobo. Ozon, azotrop kisika, je sestavljen iz treh atomov elementa.

Ozon je prisoten na različnih območjih ozračja, nabira pa se v enem, ki mu pravimo ozonosfera. To območje z visoko koncentracijo ozona ščiti vse oblike življenja pred škodljivimi vplivi UV svetlobe.

Čeprav ima UV svetloba zelo pomembno vlogo pri ustvarjanju in razgradnji ozona, predstavlja enega najbolj emblematičnih primerov molekularnega razpada z sevalno energijo.

Po eni strani kaže, da ne samo vidna svetloba lahko razgradi aktivne fotone. Poleg tega v povezavi z biološkimi aktivnostmi za tvorbo vitalne molekule prispeva k obstoju in uravnavanju kisikovega cikla.

Drugi procesi

Fotodisocijacija je tudi glavni vir razpada molekul v medzvezdnem prostoru. Drugi postopki fotolize, ki jih tokrat manipulira človek, imajo industrijski, temeljni znanstveni in aplikativni pomen.

Fotodegradacija antropogenih spojin v vodi je deležna vse večje pozornosti. Človekova dejavnost določa, da se v vodi večkrat končajo antibiotiki, zdravila, pesticidi in druge spojine sintetičnega izvora.

Eden od načinov za uničenje ali vsaj zmanjšanje aktivnosti teh spojin je z reakcijami, ki vključujejo uporabo svetlobne energije za pretrganje določenih vezi v teh molekulah.

V bioloških znanostih je zelo pogosto najti kompleksne fotoreaktivne spojine. Ko so prisotne v celicah ali tkivih, so nekatere izpostavljene svetlobnemu sevanju, da se razgradijo.

To ustvarja videz druge spojine, katere spremljanje ali odkrivanje omogoča odgovor na množico osnovnih vprašanj.

V drugih primerih študija spojin, ki izhajajo iz reakcije fotodisociacije, povezane z detekcijskim sistemom, omogoča izvajanje globalnih kompozicijskih študij kompleksnih vzorcev.

Reference

1. Brodbelt, JS (2014) Fotodissocijacijska masna spektrometrija: Nova orodja za karakterizacijo bioloških molekul. Recenzije kemične družbe, 43: 2757-2783.
2. Cardona, T., Shao, S., Nixon, PJ (2018) Izboljšanje fotosinteze v rastlinah: svetlobne reakcije. Eseji iz biokemije, 13: 85-94.
3. Oey, M., Sawyer ,. AL, Ross, IL, Hankamer, B. (2016) Izzivi in ​​priložnosti za proizvodnjo vodika iz mikroalg. Časopis za biotehnologijo rastlin, 14: 1487-1499.
4. Shimizu, Y., Boehm, H., Yamaguchi, K., Spatz, JP, Nakanishi, J. (2014) Fotoaktivativni nanoplastni substrat za analizo skupne celične migracije s natančno nastavljenimi interakcijami celično-zunajceličnega matriksa ligandov. PLOSTI ENA, 9: e91875.
5. Yan, S., Song, W. (2014) Foto-transformacija farmacevtsko aktivnih spojin v vodnem okolju: pregled. Ekologija. Procesi in vplivi, 16: 697-720.