Использование солнечного света в биологических процессах

Мы не получаем его от солнца, он синтезируется.

Человек может получить...

• через питание.
• путем синтеза в коже, который зависит от УФ-излучения. Солнце является основным его источником (излучение, а не витамин), а синтез в коже является основным источником витамина. Однако для того, чтобы он стал биоактивным, он нуждается в дальнейшей модификации в печени или почках. УФ-излучение необходимо и непосредственно вызывает раскрытие циклической структуры молекулы, превращая холестерин в превитамин D3.

Для получения более подробной информации см. главу «Биосинтез» на странице https://en.wikipedia.org/wiki/Vitamin_D.

Сходства

Несмотря на серьезные общие различия, в этих двух процессах есть некоторые общие черты:

• Энергия света переводит электрон на более высокий энергетический уровень.
• Ковалентная связь разрывается, когда электрон перемещается в другое место. Этот процесс называется фотолизом и является чисто химическим.

Отличия

Разница заключается в том, что происходит с возбужденным электроном и в степени участия клеточных белков и липидов:

• При синтезе витамина D электрон просто «спонтанно» перемещается к другой связи в образующейся новой молекуле. На этом дело заканчивается, и ферменты в этой реакции не участвуют.
• При фотосинтезе свет сначала захватывается фоторецепторами и направляется к месту фотолиза. После фотолиза взаимодействие многих белков в сложном процессе в системе мембранных связей гарантирует, что возбужденный электрон переносится на НАД ⁺ , образуя НАДН, восстанавливающую способность для последующего превращения углекислого газа в фосфоглицерат. (Также генерируется электрохимический мембранный потенциал, позволяющий превращать АДФ в АТФ, гидролиз которого используется для образования СС-связей фосфоглицерата.)

Синтез витамина D

Стадия фотолиза в синтезе витамина D показана ниже:

Молекула-предшественник образуется из холестерина в ходе ряда ферментативных реакций, а полученный витамин D3 (фактически в результате спонтанной перегруппировки исходной молекулы продукта) может далее метаболизироваться в ферментативных процессах (подробнее см. Berg et al . ) . Однако фотолиз связи, отмеченной красным цветом, является чисто химическим.

Можно спросить, почему никакие другие электроны не поднимаются на более высокий энергетический уровень и соответствующие связи не разрываются. Другие электроны предположительно могут быть возбуждены, но в отсутствие подходящего пути реакции с соединением с более низкой термодинамической свободной энергией электрон вернется на свой первоначальный энергетический уровень, высвобождая тепло. В случае 7-дегидрохолестерина система координированных двойных связей обеспечивает подходящий путь реакции с образованием продукта с более низкой свободной энергией. Можно думать о свете (подходящей длины волны), обеспечивающем энергию активации реакции (преодоление энергетического барьера, возникающего из-за более высокой свободной энергии промежуточного продукта реакции).

Фотосинтез

Реакции фотосинтеза, использующие световую энергию (так называемые «световые реакции»), включают две сложные фотосистемы, которые описаны в стандартных текстах, например, Berg et al. . Упрощенная диаграмма имеет дело только с общим фотолитическим процессом.

Молекула, подвергающаяся фотолизу, здесь представляет собой воду — две связи H–O разрываются, и образуется кислород. Однако в этом случае продукт является случайным, позволяя электрону восстанавливать NAD ⁺ . (Химически окисление представляет собой удаление электронов и восстановление их присоединения.) Как упоминалось выше, эта сложная серия реакций также приводит к электрохимическому градиенту внутри хлоропласта. Движение ионов водорода через АТФ-синтазу в тилакоидной мембране стромы хлоропласта превращает АДФ в АТФ (аналогично окислительному фосфорилированию).

Результатом фотолиза в этом случае является обеспечение молекулярной восстановительной способности и «энергии», которая будет использоваться для преобразования 1-C диоксида углерода в 3-C восстановленный сахар в отдельной серии реакций, которые сами по себе не включают световую энергию. (они называются «темновыми реакциями», хотя очевидно, что они не обязательно должны происходить в темноте).

Кода

Хотя часто можно услышать расплывчатые упоминания о том, что световая энергия используется для «производства» витамина D или сахаров, это может ввести в заблуждение. Я бы предположил, что лучше выразить то, чего достигает световая энергия, в химических терминах, а затем поместить это в контекст соответствующего синтетического процесса.