CO TO JEST FOTOLIZA? - BIOLOGIA - 2026

Fotolizy jest procesem chemicznym, na podstawie których absorpcja światła (energii promieniowania) umożliwia podział na mniejsze cząsteczki składników. Oznacza to, że światło zapewnia energię potrzebną do rozbicia cząsteczki na części składowe. Znany jest również pod nazwą fotodekompozycji lub fotodysocjacji.

Na przykład fotoliza wody jest niezbędna dla istnienia na planecie złożonych form życia. Odbywa się to przez rośliny wykorzystujące światło słoneczne. W wyniku rozpadu cząsteczek wody (H ₂ O) powstaje tlen cząsteczkowy (O ₂ ): wodór jest używany do magazynowania siły redukującej.

Ogólnie można powiedzieć, że reakcje fotolityczne obejmują absorpcję fotonu. Pochodzi z energii promieniowania o różnych długościach fal, a zatem z różnymi ilościami energii.

Gdy foton zostanie zaabsorbowany, mogą się wydarzyć dwie rzeczy. W jednym z nich cząsteczka pochłania energię, podnieca się, a następnie relaksuje. W drugiej ta energia umożliwia zerwanie wiązania chemicznego. To jest fotoliza.

Proces ten można połączyć z tworzeniem się innych wiązań. Różnica między absorpcją, która powoduje zmiany, na taką, która nie jest nazywana wydajnością kwantową.

Jest to specyficzne dla każdego fotonu, ponieważ zależy od źródła emisji energii. Wydajność kwantową definiuje się jako liczbę zmodyfikowanych cząsteczek reagentów przypadających na zaabsorbowany foton.

Fotoliza w organizmach żywych

Fotoliza wody nie jest czymś, co dzieje się spontanicznie. Oznacza to, że światło słoneczne nie rozrywa wiązań wodorowych z tlenem tylko dlatego. Fotoliza wody nie jest czymś, co się po prostu dzieje, jest wykonywana. A organizmy żywe, które są w stanie przeprowadzić fotosyntezę, robią to.

Aby przeprowadzić ten proces, organizmy fotosyntetyzujące uciekają się do tak zwanych reakcji świetlnych fotosyntezy. Aby to osiągnąć, używają oczywiście cząsteczek biologicznych, z których najważniejszym jest chlorofil P680.

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

Ostatnie dwa produkty tej lekkiej fazy zostaną wykorzystane w ciemnej fazie fotosyntezy (lub w cyklu Calvina) do asymilacji CO ₂ i produkcji węglowodanów (cukrów).

Fotosystemy I i II

Te łańcuchy transportowe nazywane są fotosystemami (I i II), a ich elementy znajdują się w chloroplastach. W każdym z nich zastosowano inne pigmenty i pochłaniają one światło o różnych długościach fal.

Centralnym elementem całego konglomeratu jest jednak centrum gromadzenia światła, składające się z dwóch rodzajów chlorofilu (a i b), różnych karotenoidów i białka 26 kDa.

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

Wodór cząsteczkowy

Innym sposobem, w jaki żywe istoty wykorzystały fotolizę wody, jest wytwarzanie wodoru cząsteczkowego (H ₂ ). Chociaż żywe istoty mogą wytwarzać wodór cząsteczkowy na inne sposoby (na przykład przez działanie enzymu bakteryjnego - hydrogenolizy), produkcja z wody jest jedną z najbardziej ekonomicznych i wydajnych.

Jest to proces, który pojawia się jako dodatkowy etap po lub niezależny od hydrolizy wody. W tym przypadku organizmy zdolne do przeprowadzania reakcji świetlnych są w stanie zrobić coś dodatkowego.

Zastosowanie H ⁺ (protonów) i e- (elektronów) pochodzących z fotolizy wody do wytworzenia H ₂ zostało odnotowane tylko w przypadku cyjanobakterii i zielonych alg. W formie pośredniej produkcja H ₂ następuje po fotolizie wody i tworzeniu się węglowodanów.

Jest to przeprowadzane przez oba typy organizmów. Drugi sposób, fotoliza bezpośrednia, jest jeszcze bardziej interesująca i jest przeprowadzana tylko przez mikroalgi. Wiąże się to z ukierunkowania elektronów pochodzących z lekkiego rozkładu wody fotosystem II bezpośrednio z enzymem, które wytwarzają H ₂ (hydrogenazę).

Enzym ten jest jednak bardzo wrażliwy na obecność O ₂ . Biologiczna produkcja wodoru cząsteczkowego poprzez fotolizę wody jest obszarem aktywnych badań. Jego celem jest zapewnienie tanich i czystych alternatyw wytwarzania energii.

Niebiologiczna fotoliza

Degradacja ozonu pod wpływem światła ultrafioletowego

Jedną z najlepiej zbadanych niebiologicznych i spontanicznych fotolizy jest degradacja ozonu pod wpływem światła ultrafioletowego (UV). Ozon, azotrop tlenu, składa się z trzech atomów pierwiastka.

Ozon jest obecny w różnych obszarach atmosfery, ale gromadzi się w takim, który nazywamy ozonosferą. Ta strefa o wysokim stężeniu ozonu chroni wszystkie formy życia przed szkodliwym działaniem promieni UV.

Chociaż światło UV odgrywa bardzo ważną rolę zarówno w tworzeniu, jak i degradacji ozonu, stanowi jeden z najbardziej charakterystycznych przypadków rozpadu cząsteczek pod wpływem energii promieniowania.

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

Inne procesy

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

Coraz większą uwagę zwraca się na fotodegradację związków antropogenicznych w wodzie. Działalność człowieka powoduje, że w wielu przypadkach do wody trafiają antybiotyki, leki, pestycydy i inne związki pochodzenia syntetycznego.

Jednym ze sposobów zniszczenia lub przynajmniej zmniejszenia aktywności tych związków są reakcje polegające na wykorzystaniu energii świetlnej do zerwania określonych wiązań w tych cząsteczkach.

W naukach biologicznych bardzo często spotyka się złożone związki fotoreaktywne. Niektóre z nich, gdy znajdą się w komórkach lub tkankach, są poddawane działaniu pewnego rodzaju promieniowania świetlnego, aby je rozbić.

To generuje pojawienie się innego związku, którego monitorowanie lub wykrywanie pozwala odpowiedzieć na wiele podstawowych pytań.

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

Bibliografia

1. Brodbelt, JS (2014) Photodissociation mass spectrometry: New tools for characterization of biologicznych cząsteczek. Chemical Society Reviews, 43: 2757–2783.
2. Cardona, T., Shao, S., Nixon, PJ (2018) Wzmocnienie fotosyntezy w roślinach: reakcje świetlne. Essays in Biochemistry, 13: 85–94.
3. Oey, M., Sawyer,. AL, Ross, IL, Hankamer, B. (2016) Wyzwania i możliwości produkcji wodoru z mikroalg. Plant Biotechnology Journal, 14: 1487–1499.
4. Shimizu, Y., Boehm, H., Yamaguchi, K., Spatz, JP, Nakanishi, J. (2014) A Photoactivatable Nanopatterned Substrate for Analyzing Collective Cell Migration with Prely Tuned Cell-Extracellular Matrix Ligand Interactions. PLoS ONE, 9: e91875.
5. Yan, S., Song, W. (2014) Fototransformacja związków farmaceutycznie czynnych w środowisku wodnym: przegląd. Nauka o środowisku. Processes & impacts, 16: 697-720.