CE ESTE FOTOLIZA? - BIOLOGIE - 2025

Fotoliza este un proces chimic în virtutea căruia absorbția (energia radiației) lumina permite descompunerea unei molecule în componente mai mici. Adică lumina furnizează energia necesară pentru a rupe o moleculă în părțile sale componente. Este cunoscut și prin numele fotodecompoziției sau fotodisociației.

Fotoliza apei, de exemplu, este esențială pentru existența unor forme complexe de viață pe planetă. Aceasta este realizată de plante folosind lumina soarelui. Distrugerea moleculelor de apă (H ₂ O) are ca rezultat oxigen molecular (O ₂ ): hidrogenul este utilizat pentru stocarea puterii reducătoare.

În termeni generali, putem spune că reacțiile fotolitice implică absorbția unui foton. Aceasta provine dintr-o energie radiantă cu lungimi de undă diferite și, prin urmare, cu cantități diferite de energie.

Odată ce fotonul este absorbit, se pot întâmpla două lucruri. Într-una dintre ele, molecula absoarbe energia, se excită și apoi sfârșește relaxându-se. În cealaltă, acea energie permite ruperea unei legături chimice. Aceasta este fotoliza.

Acest proces poate fi cuplat cu formarea altor legături. Diferența dintre o absorbție care generează modificări la una care nu se numește randament cuantic.

Este deosebit de fiecare foton, deoarece depinde de sursa de emisie de energie. Randamentul cuantic este definit ca numărul de molecule reactante modificate per foton absorbit.

Fotoliza în viețuitoare

Fotoliza apei nu este ceva care se întâmplă spontan. Adică lumina solară nu rupe legăturile de hidrogen cu oxigenul doar pentru că. Fotoliza apei nu este ceva care se întâmplă doar, ci se face. Iar organismele vii care sunt capabile să efectueze fotosinteza.

Pentru a realiza acest proces, organismele fotosintetice recurg la așa-numitele reacții ușoare ale fotosintezei. Și pentru a obține acest lucru, ei folosesc în mod evident molecule biologice, cea mai importantă fiind clorofila P680.

În așa-numita reacție Hill, mai multe lanțuri de transport de electroni permit oxigenul molecular, energia sub formă de ATP și reducerea puterii sub formă de NADPH pentru a fi obținută din fotoliza apei.

Ultimele două produse ale acestei faze ușoare vor fi utilizate în faza întunecată a fotosintezei (sau a ciclului Calvin) pentru a asimila CO ₂ și a produce carbohidrați (zaharuri).

Photosystems I și II

Aceste lanțuri de transport se numesc sisteme foto (I și II), iar componentele lor sunt localizate în cloroplaste. Fiecare dintre ei folosește pigmenți diferiți și absorb lumina de lungimi de undă diferite.

Elementul central al întregului conglomerat este, totuși, centrul de colectare a luminii format din două tipuri de clorofilă (a și b), carotenoide diferite și o proteină de 26 kDa.

Fotonii capturați sunt apoi transferați în centrele de reacție în care au loc reacțiile deja menționate.

Hidrogen molecular

Un alt mod în care ființele vii au folosit fotoliza apei implică generarea de hidrogen molecular (H ₂ ). Deși ființele vii pot produce hidrogen molecular în alte moduri (de exemplu, prin acțiunea enzimei bacteriene formathidrogenolizaza), producția din apă este una dintre cele mai economice și eficiente.

Acesta este un proces care apare ca un pas suplimentar după sau independent de hidroliza apei. În acest caz, organismele capabile să efectueze reacțiile de lumină sunt capabile să facă ceva suplimentar.

Utilizarea de H ⁺ (protoni) și e- (electroni) derivată din fotoliza apei pentru a crea H ₂ a fost raportată numai în cianobacterii și alge verzi. Sub formă indirectă, producerea H ₂ este ulterior fotoliza apei și generarea de carbohidrați.

Este realizat de ambele tipuri de organisme. Pe de altă parte, fotoliza directă este și mai interesantă și este realizată doar de microalge. Acest lucru implică canalizarea electronilor derivate din descompunerea luminii apei photosystem II direct enzima care produce H ₂ (hydrogenase).

Această enzimă, cu toate acestea, este foarte sensibilă la prezența O ₂ . Producția biologică de hidrogen molecular prin fotoliza apei este un domeniu de cercetare activă. Acesta își propune să ofere alternative de generare a energiei ieftine și curate.

Fotoliză non-biologică

Degradarea ozonului prin lumina ultravioletă

Una dintre cele mai studiate fotolize non-biologice și spontane este cea a degradării ozonului prin lumina ultravioletă (UV). Ozonul, un azotrop de oxigen, este format din trei atomi ai elementului.

Ozonul este prezent în diferite zone ale atmosferei, dar se acumulează într-una pe care o numim ozonosferă. Această zonă cu concentrații mari de ozon protejează toate formele de viață împotriva efectelor nocive ale luminii UV.

Deși lumina UV joacă un rol foarte important atât în ​​generarea, cât și în degradarea ozonului, reprezintă unul dintre cele mai emblematice cazuri de descompunere moleculară prin energia radiantă.

Pe de o parte, indică faptul că nu numai lumina vizibilă este capabilă să ofere fotoni activi pentru degradare. Mai mult, împreună cu activitățile biologice pentru generarea moleculei vitale, contribuie la existența și reglarea ciclului de oxigen.

Alte procese

Fotodisociația este, de asemenea, principala sursă de descompunere a moleculelor în spațiul interstelar. Alte procese de fotoliză, de data aceasta manipulate de oameni, au importanță industrială, științifică de bază și aplicată.

Fotodegradarea compușilor antropici în apă primește o atenție din ce în ce mai mare. Activitatea umană determină că, în multe ocazii, antibioticele, medicamentele, pesticidele și alți compuși de origine sintetică ajung în apă.

O modalitate de a distruge sau de a reduce cel puțin activitatea acestor compuși este prin reacții care implică utilizarea energiei luminoase pentru a rupe legături specifice în acele molecule.

În științele biologice este foarte frecvent să se găsească compuși fotoreactivi complexi. Odată prezenți în celule sau țesuturi, unii dintre ei sunt supuși unor tipuri de radiații luminoase pentru a le descompune.

Aceasta generează aspectul unui alt compus al cărui monitorizare sau detectare permite răspunsul la o multitudine de întrebări de bază.

În alte cazuri, studiul compușilor derivați dintr-o reacție de fotodisociere cuplată la un sistem de detectare face posibilă realizarea de studii compoziționale globale ale probelor complexe.

Referințe

1. Brodbelt, JS (2014) Spectrometrie de masă fotodisociație: Noi instrumente pentru caracterizarea moleculelor biologice. Recenzii despre societatea chimică, 43: 2757-2783.
2. Cardona, T., Shao, S., Nixon, PJ (2018) Îmbunătățirea fotosintezei la plante: reacțiile de lumină. Eseuri în biochimie, 13: 85-94.
3. Oey, M., Sawyer,. AL, Ross, IL, Hankamer, B. (2016) Provocări și oportunități pentru producția de hidrogen din microalge. Revista Biotehnologiei Plantelor, 14: 1487-1499.
4. Shimizu, Y., Boehm, H., Yamaguchi, K., Spatz, JP, Nakanishi, J. (2014) Un substrat Nanopatternat fotoactivabil pentru analiza migrației celulelor colective cu interacțiuni ligand cu matrice celulară și extracelulară. PLoS ONE, 9: e91875.
5. Yan, S., Song, W. (2014) Foto-transformare a compușilor activi farmaceutic în mediul apos: o revizuire. Știința Mediului. Procese și impacturi, 16: 697-720.