מהי פוטוליזה? - ביולוגיה - 2025

Photolysis הוא תהליך כימי אשר מכוחו את הספיגה של אור (אנרגית קרינה) מאפשרת הפילוח של מולקולה לרכיבים קטנים. כלומר האור מספק את האנרגיה הדרושה לשבירת מולקולה לחלקים המרכיבים אותה. זה ידוע גם בשמות של פוטו-פירוק או פוטו -issociation.

הפוטוליזה של מים, למשל, חיונית לקיומם של צורות חיים מורכבות על פני כדור הארץ. זה מתבצע על ידי צמחים המשתמשים בשמש. פירוק מולקולות מים (H ₂ O) מביא לחמצן מולקולרי (O ₂ ): מימן משמש לאחסון הפחתת הכוח.

באופן כללי, אנו יכולים לומר שתגובות פוטוליטיות כרוכות בקליטה של ​​פוטון. זה בא מאנרגיה קורנת באורכי גל שונים, ולכן עם כמויות אנרגיה שונות.

ברגע שהפוטון נקלט, שני דברים יכולים לקרות. באחת מהן המולקולה סופגת אנרגיה, מתרגשת ואז בסופו של דבר נרגעת. באחרת, אנרגיה זו מאפשרת שבירת קשר כימי. זו פוטוליזה.

ניתן לחבר תהליך זה ליצירת קשרים אחרים. ההבדל בין קליטה המייצר שינויים לזו שלא נקראת תשואה קוונטית.

זה מיוחד לכל פוטון מכיוון שהוא תלוי במקור פליטת האנרגיה. התשואה הקוונטית מוגדרת כמספר מולקולות המגיבים המותאמות לכל פוטון שקולט.

פוטוליזה בדברים חיים

פוטוליזה של מים אינה דבר שקורה באופן ספונטני. כלומר, אור השמש לא מפר את קשרי המימן עם החמצן רק בגלל. פוטוליזה של מים היא לא דבר שקורה פשוט, זה נעשה. ואורגניזמים חיים המסוגלים לבצע פוטוסינתזה עושים זאת.

כדי לבצע את התהליך, אורגניזמים פוטוסינתטיים נוקטים בתגובות האור שנקראות פוטוסינתזה. וכדי להשיג זאת, ברור שהם משתמשים במולקולות ביולוגיות שהחשובה בהן היא כלורופיל P680.

במה שנקרא תגובת היל, מספר שרשראות הובלת אלקטרונים מאפשרות חמצן מולקולרי, אנרגיה בצורת ATP והפחתת הכוח בצורה של NADPH ניתן להשיג מהפוטוליזה של מים.

שני המוצרים האחרונים של שלב אור זה ישמשו בשלב האפל של הפוטוסינתזה (או מחזור קלווין) להטמעת CO ₂ ולייצור פחמימות (סוכרים).

מערכות פוטנציאל I ו- II

שרשראות תובלה אלה נקראות מערכות פוטוס (I ו- II) ורכיביהן ממוקמים בכלורופלסטים. כל אחד מהם משתמש בפיגמנטים שונים והם סופגים אור באורכי גל שונים.

עם זאת, המרכיב המרכזי בכל הקונגלומרט הוא מרכז איסוף האור המורכב משני סוגים של כלורופיל (a ו- b), קרוטנואידים שונים וחלבון 26 kDa.

לאחר מכן מועברים הפוטונים שנלכדו למרכזי התגובה בהם התגובות שכבר מתרחשות.

מימן מולקולרי

דרך נוספת בה השתמשו בחיים בשימוש בפוטוליזה של מים כוללת יצירת מימן מולקולרי (H ₂ ). למרות שדברים חיים יכולים לייצר מימן מולקולרי בדרכים אחרות (למשל, על ידי פעולת האנזים החיידקי formatohydrogenolyase), ייצור מים הוא אחד החסכוניים והיעילים ביותר.

זהו תהליך שמופיע כצעד נוסף לאחר הידרוליזה של מים או בלתי תלוי בה. במקרה זה, אורגניזמים המסוגלים לבצע את תגובות האור מסוגלים לבצע דבר נוסף.

השימוש ב- H ⁺ (פרוטונים) וב- e- (אלקטרונים) שמקורם בפוטוליזה של מים ליצירת H ₂ דווח רק בציאנובקטריה ובאצות ירוקות. בצורה העקיפה, ייצור ה- H ₂ הוא בעקבות פוטוליזה של מים ויצירת פחמימות.

זה מתבצע על ידי שני סוגי האורגניזמים. הדרך השנייה, פוטוליזה ישירה, מעניינת עוד יותר ומתבצעת רק על ידי מיקרוגלגיות. זה כרוך בתיעול האלקטרונים הנגזרים מפירוק האור של מי הצילום II ישירות לאנזים המייצר H ₂ (הידרוגז).

עם זאת, אנזים זה רגיש מאוד לנוכחות O ₂ . הייצור הביולוגי של מימן מולקולרי באמצעות פוטוליזה של מים הוא תחום של מחקר פעיל. הוא נועד לספק חלופות לייצור אנרגיה זולות ונקיות.

פוטוליזה לא ביולוגית

השפלה של האוזון על ידי אור אולטרה סגול

אחד מהפוטוליזה הלא-ביולוגית והספונטנית הנחקרת ביותר הוא זו של התפרקות האוזון על ידי אור אולטרה סגול (UV). האוזון, אזוטרופה של חמצן, מורכב משלושה אטומים של היסוד.

האוזון קיים באזורים שונים באטמוספירה, אך הוא מצטבר באחד שאנו מכנים האוזונוספרה. אזור זה של ריכוז אוזון גבוה מגן על כל צורות החיים מההשפעות המזיקות של אור UV.

למרות שאור UV ממלא תפקיד חשוב מאוד ביצירת האוזון והן בשפלתו, הוא מייצג את אחד המקרים הסמליים ביותר של פירוק מולקולרי על ידי אנרגיה קורנת.

מצד אחד, זה מצביע על כך שלא רק אור גלוי מסוגל לספק פוטונים פעילים להשפלה. יתר על כן, בשילוב עם פעילויות ביולוגיות לייצור המולקולה החיונית, זה תורם לקיומו ולוויסות מחזור החמצן.

תהליכים אחרים

Photodissociation הוא גם המקור העיקרי לפירוק מולקולות במרחב הבין-כוכבי. לתהליכי פוטוליזה אחרים, הפעם על ידי בני אדם, יש חשיבות תעשייתית, מדעית בסיסית ויישומית.

ההידרדרות הפוטו של תרכובות אנתרופוגניות במים זוכה לתשומת לב הולכת וגוברת. הפעילות האנושית קובעת שבמקרים רבים אנטיביוטיקה, תרופות, חומרי הדברה ותרכובות אחרות ממקור סינטטי מסתיימות במים.

אחת הדרכים להרוס או לפחות להקטין את הפעילות של תרכובות אלה היא באמצעות תגובות הכרוכות בשימוש באנרגיית אור לשבירת קשרים ספציפיים במולקולות אלו.

במדעים הביולוגיים מקובל מאוד למצוא תרכובות פוטורקטיביות מורכבות. לאחר שנמצאים בתאים או ברקמות, חלקם נתונים לקרינת אור כלשהי כדי לפרק אותם.

זה מייצר מראה של מתחם אחר שהניטור או האיתור שלו מאפשרים לענות על ריבוי שאלות בסיסיות.

במקרים אחרים, מחקר של תרכובות הנגזרות מתגובת פוטו -issociation המשולבות למערכת גילוי מאפשר לבצע מחקרים מורכבים גלובליים של דגימות מורכבות.

הפניות

1. Brodbelt, JS (2014) ספקטרומטריית המונים פוטו-אסוציאציה: כלים חדשים לאפיון מולקולות ביולוגיות. ביקורות על החברה הכימית, 43: 2757-2783.
2. Cardona, T., Shao, S., Nixon, PJ (2018) שיפור הפוטוסינתזה בצמחים: תגובות האור. מאמרים בביוכימיה, 13: 85-94.
3. איי, מ., סוייר,. AL, Ross, IL, Hankamer, B. (2016) אתגרים והזדמנויות לייצור מימן ממיקרו-אצות. כתב העת Plant Biotechnology, 14: 1487-1499.
4. Shimizu, Y., Boehm, H., Yamaguchi, K., Spatz, JP, Nakanishi, J. (2014) מצע ננו-מעוטר-פוטו שניתן לניתוח לצורך ניתוח הגירה של תאים קולקטיביים עם אינטראקציות ליגנד-מטריקס תאיים-תאיים. PLoS ONE, 9: e91875.
5. Yan, S., Song, W. (2014) צילום טרנספורמציה של תרכובות פעילות תרופות בסביבה המימית: סקירה. מדע סביבתי. תהליכים והשפעות, 16: 697-720.