- Fotolyse in levende wezens
- Fotosystemen I en II
- Moleculaire waterstof
- Niet-biologische fotolyse
- Aantasting van de ozonlaag door ultraviolet licht
- Andere processen
- Referenties
De fotolyse is een chemisch proces waardoor de absorptie van licht (stralingsenergie) de afbraak van een molecuul in kleinere componenten mogelijk maakt. Dat wil zeggen, licht levert de energie die nodig is om een molecuul in zijn samenstellende delen te breken. Het is ook bekend onder de namen van fotocompositie of fotodissociatie.
De fotolyse van water is bijvoorbeeld essentieel voor het bestaan van complexe levensvormen op de planeet. Dit wordt gedaan door planten die zonlicht gebruiken. De afbraak van watermoleculen (H 2 O) resulteert in moleculaire zuurstof (O 2 ): waterstof wordt gebruikt voor de opslag van reducerend vermogen.
In algemene termen kunnen we zeggen dat fotolytische reacties de opname van een foton inhouden. Dit komt van een stralingsenergie van verschillende golflengten, en dus met verschillende hoeveelheden energie.
Als het foton eenmaal is opgenomen, kunnen er twee dingen gebeuren. In een daarvan absorbeert het molecuul energie, raakt opgewonden en ontspant zich vervolgens. In de andere staat die energie het verbreken van een chemische binding toe. Dit is fotolyse.
Dit proces kan worden gekoppeld aan de vorming van andere bindingen. Het verschil tussen een opname die veranderingen genereert naar een opname die geen kwantumopbrengst wordt genoemd.
Het is specifiek voor elk foton omdat het afhankelijk is van de bron van energie-emissie. De kwantumopbrengst wordt gedefinieerd als het aantal gemodificeerde reactantmoleculen per geabsorbeerd foton.
Fotolyse in levende wezens
Fotolyse van water is niet iets dat spontaan gebeurt. Dat wil zeggen, zonlicht verbreekt waterstofbruggen met zuurstof niet zomaar. Fotolyse van water is niet iets dat zomaar gebeurt, het is gedaan. En levende organismen die fotosynthese kunnen uitvoeren, doen dat ook.
Om dit proces uit te voeren, nemen fotosynthetische organismen hun toevlucht tot de zogenaamde lichtreacties van fotosynthese. En om dit te bereiken, gebruiken ze uiteraard biologische moleculen, waarvan chlorofyl P680 de belangrijkste is.
In de zogenaamde Hill Reaction maken verschillende elektronentransportketens het mogelijk om moleculaire zuurstof, energie in de vorm van ATP en reducerend vermogen in de vorm van NADPH te verkrijgen uit de fotolyse van water.
De laatste twee producten van deze lichte fase zullen worden gebruikt in de donkere fase van fotosynthese (of Calvin Cycle) om CO 2 te assimileren en koolhydraten (suikers) te produceren.
Fotosystemen I en II
Deze transportketens worden fotosystemen (I en II) genoemd en hun componenten bevinden zich in de chloroplasten. Elk van hen gebruikt verschillende pigmenten en ze absorberen licht van verschillende golflengten.
Het centrale element van het hele conglomeraat is echter het lichtverzamelcentrum dat wordt gevormd door twee soorten chlorofyl (a en b), verschillende carotenoïden en een eiwit van 26 kDa.
De opgevangen fotonen worden vervolgens overgebracht naar de reactiecentra waar de reeds genoemde reacties plaatsvinden.
Moleculaire waterstof
Een andere manier waarop levende wezens de fotolyse van water gebruikt omvat de vorming van moleculaire waterstof (H 2 ). Hoewel levende wezens op andere manieren moleculaire waterstof kunnen produceren (bijvoorbeeld door de werking van het bacteriële enzym formatohydrogenolyase), is productie uit water een van de meest economische en efficiënte.
Dit is een proces dat verschijnt als een extra stap na of onafhankelijk van de hydrolyse van water. In dit geval kunnen organismen die de lichtreacties kunnen uitvoeren, iets extra's doen.
Het gebruik van H + (protonen) en e (elektronen) afgeleid van de fotolyse van water tot H creëren 2 slechts gerapporteerd bij cyanobacteriën en groene algen. Bij de indirecte vorm, de productie van H 2 is na de fotolyse van water en het genereren van koolhydraten.
Het wordt uitgevoerd door beide soorten organismen. De andere manier, directe fotolyse, is nog interessanter en wordt alleen uitgevoerd door microalgen. Daarbij gaat het kanaliseren van de elektronen afkomstig van de licht verdeling van het fotosysteem II water direct aan het enzym dat produceert H 2 (hydrogenase).
Dit enzym is echter zeer gevoelig voor de aanwezigheid van O 2 . De biologische productie van moleculaire waterstof door fotolyse van water is een gebied van actief onderzoek. Het beoogt goedkope en schone alternatieven voor energieopwekking te bieden.
Niet-biologische fotolyse
Aantasting van de ozonlaag door ultraviolet licht
Een van de meest bestudeerde niet-biologische en spontane fotolyse is die van ozonafbraak door ultraviolet (UV) licht. Ozon, een azotroop van zuurstof, bestaat uit drie atomen van het element.
Ozon is aanwezig in verschillende delen van de atmosfeer, maar het hoopt zich op in een gebied dat we de ozonosfeer noemen. Deze zone met een hoge ozonconcentratie beschermt alle vormen van leven tegen de schadelijke effecten van UV-licht.
Hoewel UV-licht een zeer belangrijke rol speelt bij zowel de vorming als de afbraak van ozon, vertegenwoordigt het een van de meest symbolische gevallen van moleculaire afbraak door stralingsenergie.
Enerzijds geeft het aan dat niet alleen zichtbaar licht in staat is om actieve fotonen te leveren voor degradatie. Bovendien draagt het, in combinatie met biologische activiteiten voor het genereren van het vitale molecuul, bij aan het bestaan en de regulering van de zuurstofcyclus.
Andere processen
Fotodissociatie is ook de belangrijkste bron van afbraak van moleculen in de interstellaire ruimte. Andere fotolyseprocessen, deze keer gemanipuleerd door mensen, hebben een industrieel, fundamenteel wetenschappelijk en toegepast belang.
De fotodegradatie van antropogene verbindingen in water krijgt steeds meer aandacht. Menselijke activiteit bepaalt dat in veel gevallen antibiotica, medicijnen, pesticiden en andere verbindingen van synthetische oorsprong in het water terechtkomen.
Een manier om de activiteit van deze verbindingen te vernietigen of op zijn minst te verminderen, is door reacties waarbij lichtenergie wordt gebruikt om specifieke bindingen in die moleculen te verbreken.
In de biologische wetenschappen is het heel gebruikelijk om complexe fotoreactieve verbindingen te vinden. Eenmaal aanwezig in cellen of weefsels, worden sommigen van hen onderworpen aan een soort lichtstraling om ze af te breken.
Dit genereert het uiterlijk van een andere verbinding waarvan de monitoring of detectie het mogelijk maakt een groot aantal fundamentele vragen te beantwoorden.
In andere gevallen maakt de studie van verbindingen die zijn afgeleid van een fotodissociatiereactie gekoppeld aan een detectiesysteem het mogelijk om globale samenstellingsstudies van complexe monsters uit te voeren.
Referenties
- Brodbelt, JS (2014) Fotodissociatie massaspectrometrie: nieuwe tools voor karakterisering van biologische moleculen. Chemical Society Reviews, 43: 2757-2783.
- Cardona, T., Shao, S., Nixon, PJ (2018) Verbetering van fotosynthese in planten: de lichtreacties. Essays in Biochemistry, 13: 85-94.
- Oey, M., Sawyer,. AL, Ross, IL, Hankamer, B. (2016) Uitdagingen en kansen voor waterstofproductie uit microalgen. Plant Biotechnology Journal, 14: 1487-1499.
- Shimizu, Y., Boehm, H., Yamaguchi, K., Spatz, JP, Nakanishi, J. (2014) Een fotoactiveerbaar nanopatroon substraat voor het analyseren van collectieve celmigratie met nauwkeurig afgestemde cel-extracellulaire matrixligand-interacties. PLoS ONE, 9: e91875.
- Yan, S., Song, W. (2014) Fototransformatie van farmaceutisch actieve verbindingen in de waterige omgeving: een overzicht. Milieukunde. Processen en effecten, 16: 697-720.