Czym jest fotoliza?



The fotoliza Jest to proces chemiczny, dzięki któremu absorpcja światła (energia promieniowania) pozwala na rozbicie cząsteczki na mniejsze składniki. Oznacza to, że światło dostarcza energię potrzebną do rozbicia cząsteczki w jej częściach składowych. Znany jest także pod nazwami fotodekompozycji lub fotodysocjacji.

Fotoliza wody, na przykład, ma fundamentalne znaczenie dla istnienia złożonych form życia na planecie. Jest to wykonywane przez rośliny wykorzystujące światło słoneczne. Rozkład cząsteczek wody (H2O) skutkuje cząsteczkowym tlenem (O2): wodór jest wykorzystywany do przechowywania mocy redukującej.

Ogólnie można powiedzieć, że reakcje fotolityczne wiążą się z absorpcją fotonu. Wynika to z energii promieniowania o różnych długościach fal, a zatem z różnymi ilościami energii.

Gdy foton zostanie pochłonięty, mogą zdarzyć się dwie rzeczy. W jednym z nich cząsteczka absorbuje energię, staje się podekscytowana, a następnie relaksuje się. W drugiej energia ta pozwala na rozbicie wiązania chemicznego. To jest fotoliza.

Proces ten może być połączony z tworzeniem innych łączy. Różnica między absorpcją, która generuje zmiany, a tą, która nie jest nazywana wydajnością kwantową.

Dotyczy to każdego fotonu, ponieważ zależy od źródła emisji energii. Wydajność kwantowa jest definiowana jako liczba cząsteczek reagentów zmodyfikowanych na zaabsorbowany foton.

Indeks

  • 1 Fotoliza w żywych istotach
    • 1.1 Systemy fotograficzne I i II
    • 1.2 Wodór cząsteczkowy
  • 2 Fotoliza niebiologiczna
  • 3 referencje

Fotoliza w żywych istotach

Fotoliza wody nie jest czymś, co dzieje się spontanicznie. Oznacza to, że światło słoneczne nie niszczy wiązań wodorowych tlenem tylko dlatego, że. Fotoliza wody nie jest czymś, co się po prostu dzieje, jest zrobione. Podobnie żywe organizmy zdolne do fotosyntezy.

Aby przeprowadzić ten proces, organizmy fotosyntetyczne uciekają się do tak zwanych reakcji światła fotosyntezy. Aby to osiągnąć, wykorzystują oczywiście molekuły biologiczne, z których najważniejszym jest chlorofil P680.

W tak zwanej reakcji Hill kilka łańcuchów transportu elektronów pozwala na uzyskanie molekularnego tlenu, energii w postaci ATP i zmniejszenie mocy w postaci NADPH z fotolizy wody..

Dwa ostatnie produkty tej fazy świetlnej zostaną wykorzystane w ciemnej fazie fotosyntezy (lub cyklu Calvina) w celu przyswojenia CO2 i produkują węglowodany (cukry).

Photosystems I i II

Te łańcuchy przenośnikowe nazywane są fotosystemami (I i II), a ich składniki znajdują się w chloroplastach. Każdy z nich używa różnych pigmentów i absorbuje światło o różnych długościach fal.

Centralnym elementem całego konglomeratu jest jednak centrum gromadzenia światła utworzone przez dwa rodzaje chlorofilu (aib), różne karotenoidy i białko o masie 26 kDa.

Przechwycone fotony są następnie przenoszone do centrów reakcji, w których zachodzą już wspomniane reakcje.

Wodór cząsteczkowy

Innym sposobem, w jaki żywe istoty wykorzystały fotolizę wody, jest wytwarzanie wodoru cząsteczkowego (H2). Chociaż żywe istoty mogą wytwarzać molekularny wodór innymi drogami (na przykład przez działanie bakteryjnego enzymu formiatohidrogenoliasa), produkcja z wody jest jedną z najbardziej ekonomicznych i wydajnych.

Jest to proces, który pojawia się jako dodatkowy krok późniejszy lub niezależny od hydrolizy wody. W tym przypadku organizmy zdolne do przeprowadzenia reakcji światła są w stanie zrobić coś dodatkowego.

Zastosowanie H+ (protony) i e- (elektrony) pochodzące z fotolizy wody w celu utworzenia H2 odnotowano to tylko w przypadku sinic i zielonych alg. W formie pośredniej produkcja H2 jest po fotolizie wody i wytwarzaniu węglowodanów.

Jest przeprowadzany przez oba rodzaje organizmów. Druga forma, bezpośrednia fotoliza, jest jeszcze bardziej interesująca i jest przeprowadzana tylko przez mikroglony. Obejmuje to kierowanie elektronów pochodzących z lekkiego pęknięcia wody z fotosystemu II bezpośrednio do enzymu wytwarzającego H.2 (hydrogenaza).

Enzym ten jest jednak bardzo podatny na obecność O2. Biologiczna produkcja wodoru cząsteczkowego przez fotolizę wody jest obszarem aktywnego dochodzenia. Jego celem jest zapewnienie taniej i czystej alternatywy wytwarzania energii.

Fotoliza niebiologiczna

Degradacja ozonu przez światło ultrafioletowe

Jedną z najbardziej badanych nie-biologicznych i spontanicznych fotoliz jest degradacja ozonu przez światło ultrafioletowe (UV). Ozon, tlen azotowy, składa się z trzech atomów pierwiastka.

Ozon jest obecny w różnych obszarach atmosfery, ale gromadzi się w jednej o nazwie ozonosfera. Ta strefa wysokiej koncentracji ozonu chroni wszystkie formy życia przed szkodliwym działaniem światła UV.

Chociaż światło UV odgrywa ważną rolę zarówno w wytwarzaniu, jak i degradacji ozonu, stanowi jeden z najbardziej charakterystycznych przypadków rozpadu molekularnego przez energię promieniowania.

Z jednej strony wskazuje, że nie tylko światło widzialne jest w stanie dostarczyć aktywnych fotonów do degradacji. Ponadto, w połączeniu z biologicznymi działaniami generowania istotnej cząsteczki, przyczynia się do istnienia i regulacji cyklu tlenowego.

Inne procesy

Fotodysocjacja jest również głównym źródłem pęknięcia cząsteczek w przestrzeni międzygwiezdnej. Inne procesy fotolizy, tym razem manipulowane przez człowieka, mają znaczenie przemysłowe, podstawowe naukowe i stosowane.

Fotodegradacja związków antropogenicznych w wodach zyskuje coraz większą uwagę. Działalność człowieka określa, że ​​w wielu przypadkach antybiotyki, leki, pestycydy i inne związki pochodzenia syntetycznego trafiają do wody.

Jednym ze sposobów zniszczenia lub przynajmniej zmniejszenia aktywności tych związków jest reakcja polegająca na wykorzystaniu energii światła do rozbicia specyficznych wiązań tych cząsteczek.

W naukach biologicznych bardzo często można znaleźć złożone związki fotoreaktywne. Gdy są obecne w komórkach lub tkankach, niektóre z nich poddawane są pewnego rodzaju promieniowaniu świetlnemu, aby je rozbić.

Generuje to wygląd innego związku, którego śledzenie lub wykrywanie pozwala nam odpowiedzieć na wiele podstawowych pytań.

W innych przypadkach badanie związków pochodzących z reakcji fotodysocjacji sprzężonej z systemem wykrywania umożliwia przeprowadzenie globalnych badań składu złożonych próbek.

Referencje

  1. Brodbelt, J. S. (2014) Fotodysocjacja spektrometrii mas: Nowe narzędzia do charakteryzacji cząsteczek biologicznych. Chemical Society Reviews, 43: 2757-2783.
  2. Cardona, T., Shao, S., Nixon, P. J. (2018) Wzmacnianie fotosyntezy w roślinach: reakcje świetlne. Essays in Biochemistry, 13: 85-94.
  3. Oey, M., Sawyer,. A. L., Ross, I. L., Hankamer, B. (2016) Wyzwania i możliwości produkcji wodoru z mikroalg. Plant Biotechnology Journal, 14: 1487-1499.
  4. Shimizu, Y., Boehm, H., Yamaguchi, K., Spatz, J.P., Nakanishi, J. (2014) Photoactivatable Nanopatterned Substrate do analizy zbiorowej migracji komórek z precyzyjnie dostrojonymi interakcjami ligandów komórkowo-zewnątrzkomórkowych. PLoS ONE, 9: e91875.
  5. Yan, S., Song, W. (2014) Foto-transformacja związków farmaceutycznie czynnych w środowisku wodnym: przegląd. Nauka o środowisku. Processes & ES, 16: 697-720.