ЩО ТАКЕ ФОТОЛІЗ? - БІОЛОГІЯ - 2025

Фотолізу є хімічний процес, в силу якого поглинання світла (енергії випромінювання) дозволяє розпад молекули на більш дрібні компоненти. Тобто світло забезпечує енергію, необхідну для розбиття молекули на її складові частини. Він також відомий за назвами фотодепозиції або фотодисоціації.

Наприклад, фотоліз води має важливе значення для існування на планеті складних життєвих форм. Це здійснюється рослинами, що використовують сонячне світло. Розпад молекул води (H ₂ O) призводить до отримання молекулярного кисню (O ₂ ): водень використовується для зберігання відновної потужності.

Взагалі можна сказати, що фотолітичні реакції передбачають поглинання фотона. Це відбувається від випромінюючої енергії різної довжини хвилі, а отже, з різною кількістю енергії.

Після поглинання фотона можуть відбутися дві речі. В одному з них молекула поглинає енергію, збуджується і потім закінчується розслабленням. В іншому ця енергія дозволяє розірвати хімічний зв’язок. Це фотоліз.

Цей процес може поєднуватися з утворенням інших зв’язків. Різниця між поглинанням, яке породжує зміни, змінюється на таке, яке не називається квантовим виходом.

Він характерний для кожного фотона, оскільки він залежить від джерела випромінювання енергії. Квантовий вихід визначається як кількість модифікованих молекул реагенту на поглинений фотон.

Фотоліз у живих істотах

Фотоліз води - це не те, що відбувається спонтанно. Тобто сонячне світло не розриває водневі зв’язки з киснем лише тому. Фотоліз води - це не те, що просто відбувається, це робиться. І живі організми, здатні здійснювати фотосинтез.

Для здійснення цього процесу фотосинтетичні організми вдаються до так званих світлових реакцій фотосинтезу. І для досягнення цього вони, очевидно, використовують біологічні молекули, найважливішою з яких є хлорофіл P680.

У так званій реакції Хілла кілька електронно-транспортних ланцюгів дозволяють отримувати молекулярний кисень, енергію у вигляді АТФ та зменшувати потужність у вигляді НАДФН, отримуючи від фотолізу води.

Останні два продукти цієї світлової фази будуть використовуватися в темній фазі фотосинтезу (або циклу Кальвіна) для засвоєння CO ₂ і отримання вуглеводів (цукрів).

Фотосистеми I і II

Ці транспортні ланцюги називаються фотосистемами (I і II) і їх компоненти розміщені в хлоропластах. Кожен з них використовує різні пігменти, і вони поглинають світло різної довжини хвилі.

Однак центральним елементом всього конгломерату є центр збору світла, що складається з двох типів хлорофілу (a і b), різних каротиноїдів та білка 26 кДа.

Потім захоплені фотони переносяться в реакційні центри, в яких протікають уже згадані реакції.

Молекулярний водень

Інший спосіб, що живі істоти використовували фотоліз води, передбачає генерування молекулярного водню (H ₂ ). Хоча живі істоти можуть виробляти молекулярний водень іншими способами (наприклад, дією бактеріального ферменту форматогідрогенолязи), виробництво з води є одним з найбільш економічних та ефективних.

Це процес, який постає як додатковий крок після гідролізу води або незалежний від нього. У цьому випадку організми, здатні провести світлові реакції, здатні зробити щось додаткове.

Про використання Н ⁺ (протонів) та е- (електронів), отриманих при фотолізі води для створення Н ₂ , повідомлялося лише у ціанобактеріях та зелених водоростях. У непрямій формі виробництво H ₂ відбувається після фотолізу води та утворення вуглеводів.

Він здійснюється обома типами організмів. Інший спосіб, прямий фотоліз, ще цікавіший і його здійснюють лише мікроводорості. Це пов'язано з направленням електронів, отриманих від світлового розпаду води фотосистеми II, безпосередньо до ферменту, який продукує H ₂ (гідрогеназу).

Цей фермент, однак, дуже чутливий до присутності O ₂ . Біологічне виробництво молекулярного водню шляхом фотолізу води - область активних досліджень. Він спрямований на надання дешевих та чистих альтернатив для вироблення енергії.

Небіологічний фотоліз

Деградація озону ультрафіолетом

Одним з найбільш вивчених небіологічних та спонтанних фотолізу є деградація озону ультрафіолетовим (УФ) світлом. Озон, азотроп кисню, складається з трьох атомів елемента.

Озон присутній у різних областях атмосфери, але він накопичується в тій, яку ми називаємо озоносферою. Ця зона високої концентрації озону захищає всі форми життя від згубного впливу УФ-світла.

Хоча УФ-світло відіграє дуже важливу роль як для вироблення, так і для деградації озону, він є одним з найбільш емблематичних випадків молекулярного розпаду за допомогою променистої енергії.

З одного боку, це вказує на те, що не тільки видиме світло здатний забезпечити активні фотони для деградації. Крім того, у поєднанні з біологічною активністю для вироблення життєво важливої ​​молекули це сприяє існуванню та регуляції кисневого циклу.

Інші процеси

Фотодисоціація також є основним джерелом розпаду молекул у міжзоряному просторі. Інші процеси фотолізу, на цей раз маніпульовані людиною, мають промислове, базове наукове та прикладне значення.

Все більшу увагу приділяє фотодеградація антропогенних сполук у воді. Людська діяльність визначає, що у багатьох випадках антибіотики, ліки, пестициди та інші сполуки синтетичного походження потрапляють у воду.

Один із способів знищити або принаймні зменшити активність цих сполук - через реакції, які передбачають використання світлової енергії для розриву певних зв'язків у цих молекулах.

У біологічних науках дуже часто зустрічаються складні фотореактивні сполуки. Опинившись у клітинах або тканинах, деякі з них піддаються певному випромінюванню світла для їх руйнування.

Це породжує появу ще одного складу, моніторинг чи виявлення якого дає змогу відповісти на безліч основних питань.

В інших випадках вивчення сполук, отриманих з реакції фотодисоціації, з'єднаних із системою виявлення, дає можливість проводити глобальні композиційні дослідження складних зразків.

Список літератури

1. Brodbelt, JS (2014) Фотодіссоціаційна мас-спектрометрія: нові інструменти для характеристики біологічних молекул. Огляди хімічного суспільства, 43: 2757-2783.
2. Cardona, T., Shao, S., Nixon, PJ (2018) Посилення фотосинтезу в рослинах: світлові реакції. Нариси з біохімії, 13: 85-94.
3. Ой, М., Сойєр ,. AL, Ross, IL, Hankamer, B. (2016) Виклики та можливості отримання водню з мікроводоростей. Журнал рослинних біотехнологій, 14: 1487-1499.
4. Shimizu, Y., Boehm, H., Yamaguchi, K., Spatz, JP, Nakanishi, J. (2014) Фотоактивується нанорозмірний субстрат для аналізу колективної міграції клітин за допомогою точно налаштованих взаємодій клітин-позаклітинних матричних лігандів. PLOS ONE, 9: e91875.
5. Yan, S., Song, W. (2014) Фото-трансформація фармацевтично активних сполук у водному середовищі: огляд. Екологія. Процеси та впливи, 16: 697-720.