VAD ÄR FOTOLYS? - BIOLOGI - 2025

Den fotolys är en kemisk process enligt vilken absorptionen av ljus (strålningsenergi) tillåter en uppdelning av en molekyl i mindre komponenter. Det vill säga ljus ger den energi som krävs för att bryta en molekyl i dess komponentdelar. Det är också känt med namnen på fotodekomposition eller fotodissociation.

Fotolys av vatten, till exempel, är avgörande för att det finns komplexa livsformer på planeten. Detta utförs av växter med solljus. Nedbrytningen av vattenmolekyler (H ₂ O) resulterar i molekylärt syre (O ₂ ): väte används för lagring av reducerande kraft.

I allmänna termer kan vi säga att fotolytiska reaktioner involverar absorptionen av en foton. Detta kommer från en strålande energi med olika våglängder, och därför med olika mängder energi.

När fotonen har absorberats kan två saker hända. I en av dem absorberar molekylen energi, blir upphetsad och avslutar sedan. I den andra tillåter den energin brytningen av en kemisk bindning. Detta är fotolys.

Denna process kan kopplas till bildandet av andra bindningar. Skillnaden mellan en absorption som genererar förändringar till en som inte kallas kvantutbyte.

Det är särskilt för varje foton eftersom det beror på källan till energiutsläpp. Kvantutbytet definieras som antalet modifierade reaktantmolekyler per absorberad foton.

Fotolys i levande saker

Fotolys av vatten är inte något som händer spontant. Det vill säga att solljus inte bryter vätebindningar med syre bara för. Fotolys av vatten är inte något som bara händer, det görs. Och levande organismer som kan utföra fotosyntes.

För att utföra denna process använder fotosyntetiska organismer de så kallade ljusreaktionerna i fotosyntesen. Och för att uppnå detta använder de uppenbarligen biologiska molekyler, varav den viktigaste är klorofyll P680.

I den så kallade Hill Reaction tillåter flera elektrontransportkedjor molekylärt syre, energi i form av ATP och reducerande kraft i form av NADPH att erhållas från fotolys av vatten.

De två sista produkterna från denna ljusa fas kommer att användas i den mörka fasen av fotosyntesen (eller Calvin Cycle) för att assimilera CO ₂ och producera kolhydrater (sockerarter).

Fotosystem I och II

Dessa transportkedjor kallas fotosystem (I och II) och deras komponenter finns i kloroplasterna. Var och en av dem använder olika pigment och absorberar ljus med olika våglängder.

Det centrala elementet i hela konglomeratet är emellertid det ljusuppsamlingscentrum som består av två typer av klorofyll (a och b), olika karotenoider och ett 26 kDa protein.

De fångade fotonerna överförs sedan till de reaktionscentra där de redan nämnda reaktionerna äger rum.

Molekylärt väte

Ett annat sätt att levande ting har använt fotolys av vatten involverar alstring av molekylärt väte (H ₂ ). Även om levande saker kan producera molekylärt väte på andra sätt (till exempel genom verkan av bakterienzymet formatohydrogenolyas), är produktion från vatten en av de mest ekonomiska och effektiva.

Detta är en process som visas som ett ytterligare steg efter eller oberoende av hydrolysen av vatten. I detta fall kan organismer som kan utföra ljusreaktionerna göra något ytterligare.

Användningen av H ⁺ (protoner) och e (elektroner) härledda från fotolysen av vatten för att skapa H ₂ har endast rapporterats i cyanobakterier och grönalger. I den indirekta formen, produktion av H ₂ är efter det att fotolys av vatten och generering av kolhydrater.

Det utförs av båda typerna av organismer. Det andra sättet, direkt fotolys, är ännu mer intressant och utförs endast av mikroalger. Detta involverar kanalisering av elektronerna som härrör från ljus nedbrytning av fotosystem II vatten direkt till enzymet som producerar H ₂ (hydrogenas).

Detta enzym är emellertid mycket känslig för närvaron av O ₂ . Den biologiska produktionen av molekylärt väte genom fotolys av vatten är ett område med aktiv forskning. Det syftar till att tillhandahålla billiga och rena energiproduktionsalternativ.

Icke-biologisk fotolys

Ozonnedbrytning med ultraviolett ljus

En av de mest studerade icke-biologiska och spontana fotolyserna är ozonnedbrytning med ultraviolett (UV) ljus. Ozon, en azotrop av syre, består av tre atomer av elementet.

Ozon finns i olika områden i atmosfären, men det samlas i ett som vi kallar ozonosfären. Denna zon med hög ozonkoncentration skyddar alla livsformer från UV-ljusets skadliga effekter.

Även om UV-ljus spelar en mycket viktig roll i både alstring och nedbrytning av ozon, representerar det ett av de mest emblematiska fallen av molekylär nedbrytning med strålningsenergi.

Å ena sidan indikerar det att inte bara synligt ljus kan ge aktiva fotoner för nedbrytning. I samband med biologiska aktiviteter för att skapa den vitala molekylen bidrar den dessutom till syrecykelns existens och reglering.

Andra processer

Fotodissociation är också den viktigaste källan till nedbrytning av molekyler i det interstellära rummet. Andra fotolysprocesser, denna gång manipulerade av människor, har industriell, grundläggande vetenskaplig och tillämpad betydelse.

Fotodegradering av antropogena föreningar i vatten får ökad uppmärksamhet. Mänsklig aktivitet avgör att antibiotika, läkemedel, bekämpningsmedel och andra föreningar av syntetiskt ursprung vid många tillfällen hamnar i vattnet.

Ett sätt att förstöra eller åtminstone minska aktiviteten hos dessa föreningar är genom reaktioner som involverar användning av ljusenergi för att bryta specifika bindningar i dessa molekyler.

Inom biologiska vetenskaper är det mycket vanligt att hitta komplexa fotoreaktiva föreningar. När de är närvarande i celler eller vävnader utsätts några av dem för någon typ av ljusstrålning för att bryta ner dem.

Detta genererar utseendet på en annan förening vars övervakning eller upptäckt gör det möjligt att besvara en mängd grundläggande frågor.

I andra fall gör studien av föreningar härrörande från en fotodissocieringsreaktion kopplad till ett detekteringssystem det möjligt att genomföra globala sammansättningsstudier av komplexa prover.

referenser

1. Brodbelt, JS (2014) Photodissociation mass spectrometry: Nya verktyg för karakterisering av biologiska molekyler. Chemical Society Reviews, 43: 2757-2783.
2. Cardona, T., Shao, S., Nixon, PJ (2018) Förbättra fotosyntesen i växter: ljusreaktionerna. Uppsatser i biokemi, 13: 85-94.
3. Oey, M., Sawyer,. AL, Ross, IL, Hankamer, B. (2016) Utmaningar och möjligheter för väteproduktion från mikroalger. Plant Biotechnology Journal, 14: 1487-1499.
4. Shimizu, Y., Boehm, H., Yamaguchi, K., Spatz, JP, Nakanishi, J. (2014) Ett fotoaktiverbart nanopatternt underlag för att analysera kollektiv cellmigrering med exakt inställda cell-extracellulära matrix-ligandinteraktioner. PLoS ONE, 9: e91875.
5. Yan, S., Song, W. (2014) Fototransformation av farmaceutiskt aktiva föreningar i den vattenhaltiga miljön: en recension. Miljövetenskap. Processer och effekter, 16: 697-720.