ЧТО ТАКОЕ ФОТОЛИЗ? - БИОЛОГИЯ - 2025

Фотолиза представляет собой химический процесс, в силу которого поглощение света (энергии излучения) позволяет распад молекулы на более мелкие компоненты. То есть свет обеспечивает энергию, необходимую для разрушения молекулы на составные части. Он также известен под названиями фоторазложения или фотодиссоциации.

Например, фотолиз воды необходим для существования сложных форм жизни на планете. Это осуществляется растениями, использующими солнечный свет. Распад молекул воды (H ₂ O) приводит к образованию молекулярного кислорода (O ₂ ): водород используется для хранения восстановительной энергии.

В общих чертах можно сказать, что фотолитические реакции включают поглощение фотона. Это происходит от лучистой энергии разной длины волны и, следовательно, с разным количеством энергии.

После поглощения фотона могут произойти две вещи. В одном из них молекула поглощает энергию, возбуждается, а затем расслабляется. С другой стороны, эта энергия позволяет разорвать химическую связь. Это фотолиз.

Этот процесс может сопровождаться образованием других связей. Разница между поглощением, которое вызывает изменения, от поглощения, которое не называется квантовым выходом.

Он индивидуален для каждого фотона, потому что зависит от источника излучения энергии. Квантовый выход определяется как количество модифицированных молекул реагента на поглощенный фотон.

Фотолиз живых существ

Фотолиз воды не происходит спонтанно. То есть солнечный свет не разрывает водородные связи с кислородом просто потому. Фотолиз воды - это не просто явление, это происходит. И живые организмы, способные к фотосинтезу, делают.

Для осуществления этого процесса фотосинтезирующие организмы прибегают к так называемым световым реакциям фотосинтеза. И для этого они, очевидно, используют биологические молекулы, наиболее важной из которых является хлорофилл P680.

В так называемой реакции Хилла несколько цепей переноса электронов позволяют получать молекулярный кислород, энергию в форме АТФ и восстанавливающую энергию в форме НАДФН в результате фотолиза воды.

Последние два продукта этой светлой фазы будут использоваться в темной фазе фотосинтеза (или цикла Кальвина) для ассимиляции CO ₂ и производства углеводов (сахаров).

Фотосистемы I и II

Эти транспортные цепи называются фотосистемами (I и II), и их компоненты расположены в хлоропластах. В каждом из них используются разные пигменты, и они поглощают свет с разной длиной волны.

Однако центральным элементом всего конгломерата является центр сбора света, образованный двумя типами хлорофилла (a и b), различными каротиноидами и белком 26 кДа.

Захваченные фотоны затем передаются в реакционные центры, в которых происходят уже упомянутые реакции.

Молекулярный водород

Другой способ, которым живые существа использовали фотолиз воды, заключается в производстве молекулярного водорода (H ₂ ). Хотя живые существа могут производить молекулярный водород и другими способами (например, под действием бактериального фермента форматогидрогенолиаза), производство из воды является одним из наиболее экономичных и эффективных.

Это процесс, который появляется как дополнительная стадия после гидролиза воды или независимо от него. В этом случае организмы, способные проводить световые реакции, способны делать еще кое-что.

Об использовании H ⁺ (протонов) и e- (электронов), полученных в результате фотолиза воды, для создания H ₂ сообщалось только у цианобактерий и зеленых водорослей. В непрямой форме производство H ₂ происходит после фотолиза воды и образования углеводов.

Это осуществляется обоими видами организмов. Другой способ, прямой фотолиз, еще более интересен и осуществляется только микроводорослями. Это включает в себя передачу электронов, полученных в результате светового разложения воды фотосистемы II, непосредственно ферменту, производящему H ₂ (гидрогеназу).

Однако этот фермент очень чувствителен к присутствию O ₂ . Биологическое производство молекулярного водорода путем фотолиза воды - область активных исследований. Его цель - предоставить дешевые и экологически чистые альтернативы производству энергии.

Небиологический фотолиз

Разложение озона ультрафиолетовым светом

Одним из наиболее изученных небиологических и спонтанных фотолизов является разложение озона ультрафиолетовым (УФ) светом. Озон, азотроп кислорода, состоит из трех атомов этого элемента.

Озон присутствует в различных частях атмосферы, но накапливается в той, которую мы называем озоносферой. Эта зона с высокой концентрацией озона защищает все формы жизни от разрушительного воздействия ультрафиолета.

Хотя ультрафиолетовый свет играет очень важную роль как в образовании, так и в разложении озона, он представляет собой один из наиболее характерных случаев разрушения молекул под действием лучистой энергии.

С одной стороны, это указывает на то, что не только видимый свет способен предоставлять активные фотоны для деградации. Кроме того, в сочетании с биологической активностью по генерации жизненно важной молекулы, он способствует существованию и регулированию кислородного цикла.

Другие процессы

Фотодиссоциация также является основным источником распада молекул в межзвездном пространстве. Другие процессы фотолиза, на этот раз управляемые людьми, имеют промышленное, фундаментальное научное и прикладное значение.

Фотодеградация антропогенных соединений в воде привлекает все большее внимание. Человеческая деятельность определяет, что во многих случаях антибиотики, лекарства, пестициды и другие соединения синтетического происхождения попадают в воду.

Один из способов разрушить или, по крайней мере, снизить активность этих соединений - это реакции, которые включают использование световой энергии для разрыва определенных связей в этих молекулах.

В биологических науках очень часто встречаются сложные фотореактивные соединения. Попав в клетки или ткани, некоторые из них подвергаются воздействию светового излучения определенного типа, которое разрушает их.

Это порождает появление другого соединения, мониторинг или обнаружение которого позволяет ответить на множество основных вопросов.

В других случаях изучение соединений, полученных в результате реакции фотодиссоциации, в сочетании с системой обнаружения позволяет проводить глобальные исследования состава сложных образцов.

Ссылки

1. Brodbelt, JS (2014) Фотодиссоциационная масс-спектрометрия: новые инструменты для характеристики биологических молекул. Обзоры химического общества, 43: 2757-2783.
2. Кардона, Т., Шао, С., Никсон, П.Дж. (2018) Повышение фотосинтеза у растений: световые реакции. Очерки биохимии, 13: 85-94.
3. Ой, М., Сойер,. А.Л., Росс, И.Л., Ханкамер, Б. (2016) Проблемы и возможности производства водорода из микроводорослей. Журнал биотехнологии растений, 14: 1487-1499.
4. Симидзу, Ю., Бем, Х., Ямагути, К., Спатц, Дж. П., Наканиши, Дж. (2014) Фотоактивируемый субстрат с нанопаттерном для анализа коллективной миграции клеток с точно настроенными взаимодействиями клетки-внеклеточный матрикс-лиганд. PLoS ONE, 9: e91875.
5. Ян, С., Сонг, В. (2014) Фототрансформация фармацевтически активных соединений в водной среде: обзор. Наука об окружающей среде. Процессы и воздействия, 16: 697-720.