Abstrakt
Den mad, vi spiser, kommer i sidste ende fra planter, enten direkte eller indirekte. Planternes betydning som det globale køkken kan aldrig undervurderes. Planter “spiser” sollys og kuldioxid for at producere deres egen mad og mad til de millioner af andre organismer, der er afhængige af dem. Et molekyle, klorofyl (Chl), er afgørende for denne proces, da det absorberer sollys. producere deres mad er meget forskellig fra den måde planterne i havene producerer deres mad på. Da det er svært for lys at nå under vandet i havene, bliver fødevareproduktion, videnskabeligt kaldet fotosyntese, meget langsom. Phycobiliproteiner er proteiner, der gør dette job lettere ved at absorbere det tilgængelige lys og overføre det til Chl. Disse phycobiliproteiner findes i små, usynlige organismer kaldet cyanobakterier. Deres “madproducerende” reaktioner er kritiske for overlevelsen af mange levende organismer som fisk, fugle og andet hav liv. Det er derfor meget vigtigt for alle at forstå, hvordan cyanobakterier fremstiller deres mad, og hvilke vigtige roller phycobiliproteiner spiller i processen.
Hvordan får levende ting deres mad?
Når du tænker på mad, finder du normalt billeder af din yndlings mad? Dette er en naturlig proces, da mad er vigtig for enhver levende ting. For at opfylde dette grundlæggende behov fremstiller alle levende ting enten deres egen mad eller får den fra en anden kilde. Mennesker kan spise både planter og dyr. Nogle dyr spiser andre dyr, mens nogle dyr spiser planter som deres mad. I sidste ende ser vi, at alle på denne planet er afhængige af planter for deres mad. Men hvad spiser planter så? Faktisk “spiser” planter sollys og en gas kaldet kuldioxid, som begge er let tilgængelige lige her på jorden. Den proces, hvorved landplanter producerer deres egen mad ved hjælp af sollys og kuldioxid er kendt som fotosyntese (figur 1). kuldioxid absorberes af bladene, sollyset fanges af et kemisk molekyle i planten, kaldet klorofyl (Chl). Alle fotosyntetiske organismer indeholder Chl.
- Figur 1 – En forenklet opfattelse af, hvordan planter producerer mad til os.
- Bladene af grønne planter indeholder klorofyl, som absorberer sollys for at producere mad. Denne mad bruges derefter af planten selv såvel som andre dyr, inklusive mennesker.
Den måde, hvorpå landplanter udfører fotosyntese, hjælper dog ikke de organismer, der lever i havene, som dækker næsten 70% af vores jord. Planter i havene står over for problemer med h lys tilgængelighed. De blå og grønne dele af lys trænger ind i vandet mere end de gule og røde dele af lys gør (figur 2). Heldigvis får havplanter hjælp til at producere mad fra så begrænset lys og kuldioxid fra små mikroskopiske mikrober kaldet cyanobakterier (også kendt som blågrønne alger). Disse mikrober har tilpasset sig til svage lysforhold, og de udfører fotosyntese både for sig selv og til fordel for andre levende ting. Cyanobakterier er gamle mikrober, der har levet på vores jord i milliarder af år. Cyanobakterier siges at være ansvarlige for at skabe den iltfyldte atmosfære, vi lever i. Til udførelse af fotosyntese under dårlige lysforhold har cyanobakterier hjælp fra proteiner kaldet phycobiliproteiner, som findes begravet i cyanobakteriernes cellemembraner (det ydre dække).
- Figur 2 – Gennemtrængning af sollys i havene.
- Sollys er sammensat af forskellige farver: V, violet; B, blå; G, grøn; Y, gul; O, orange; og R, rød. De blå og grønne farver når op til 200 m inde i vandet, mens alle de andre farver inklusive violet kun kan nå op til de første 100 m inde i havene. Pilene repræsenterer den dybde, hvormed forskellige farver når ud til havene.
Hvad er phycobiliproteiner?
Phycobiliproteiner spiller rollen som assistenter til Chl i vandmiljøer (vand). Da lys har svært ved at trænge ind i havene, gør phycobiliproteiner dette job lettere ved at absorbere det lys, der er tilgængeligt; de absorberer den grønne del af lyset og vender det til rødt lys, hvilket er den farve, som kræves af Chl. Det er dog ikke så let at ændre lysets farve. Det grønne lys skal passere gennem forskellige phycobiliprotein-molekyler, som absorberer lys i en farve og giver lys fra en anden farve. Farven, der gives ud, optages derefter af et andet phycobiliprotein, som gør det til en tredje farve.Denne proces fortsætter, indtil det udsendte lys er rødt, som endelig kan tages op af Chl. For at hele denne proces skal finde sted, har vi tre forskellige slags phycobiliprotein-molekyler arrangeret som en slags hat over Chl-molekylet, som du kan se i figur 3. Disse tre slags phycobiliproteiner er:
-
(a) C-phycoerythrin (CPE), lyserød-rød i farve og ansvarlig for at absorbere den grønne del af sollys.
-
(b) C-phycocyanin (CPC), dybblå i farve og ansvarlig for at absorbere den orange-røde del af sollys.
-
(c) Allophycocyanin (APC ), lyseblå i farve og ansvarlig for at absorbere den røde del af sollys.
- Figur 3 – Hatlignende arrangement af phycobiliproteiner og klorofyl (Chl) i cyanobakterier.
- Det grønne lys absorberes først af C -phycoerythrin, som overfører det til C-phycocyanin (CPC). CPC overfører yderligere lysenergien til allophycocyanin (APC), som overfører den til Chl til fotosyntese ved hjælp af det røde lys.
Årsagen til, at phycobiliproteiner absorberer lys i forskellige farver, er, at de indeholder kemiske molekyler kaldet biliner inde i dem, hvilket giver dem deres lyse farver. Disse biliner er ansvarlige for at absorbere lys i en farve og udsende lys i en anden farve, hvilket forårsager en ændring i lysets farve. Avancerede instrumenter har lad os analysere arrangementet af disse molekyler og proteiner i cyanobakterierne. Vi ved, at phycobiliproteiner er formet som skiver, og skiverne er stablet oven på hinanden for at danne den hatlignende struktur. Den ene ende af stakken er lavet af CPE, mens den anden ende er lavet af CPC. Denne samling slutter sig til kernen, lavet af APC. Hele denne struktur er knyttet til Chl, som accepterer det røde lys, der udsendes af APC. Arrangementet af den hatlignende struktur er vist i figur 3.
Hvordan finder lysenergioverførslen sted i phycobiliproteiner?
Ændringen i lysfarve fra grøn til rød tager placeres gennem en proces kendt som fluorescens. Lad os se, hvad fluorescens er. Forestil dig en gennemsigtig beholder fyldt med en lyserød-farvet væske, der, når den belyses med en lommelygte, skinner en lys orange! Det er præcis, hvad CPE gør (figur 4). Alle phycobiliproteiner har denne spændende egenskab at afgive synligt lys i en anden farve end lysets farve, der lyser på dem. Når CPE skifter grønt lys til gul-orange, optager CPC det gul-orange lys og skifter det til lys rødt. APC tager dette lysrøde lys op og skifter det til et dybt rødt lys for Chl. Så nu har vi det grønne lys ændret til rødt, hvilket er den farve af lys, som naturen havde til hensigt at Chl skulle absorbere. Hele processen er en slags et stafetløb, hvor hver deltager holder op, hvor den forrige slap (figur 5). Disse phycobiliproteiner er en vigtig del af de små mikroskopiske organismer kaldet cyanobakterier, der udfører fotosyntese på samme måde som landplanter gør. Den eneste forskel er, at de bruger et andet sæt kemiske molekyler – cyanobakterier bruger phycobiliproteiner, mens jordplanter bruger Chl.
- Figur 4 – Fluorescensegenskab for C-phycoerythrin (CPE).
- Den hvide farve på det lys, der produceres af lommelygten, ændres til gul-orange lys ved CPE, optages af C-phycocyanin.
- Figur 5 – Phycobiliproteins skifter lysets farve fra grøn til rød, så den kan bruges til fotosyntese.
- Det grønfarvede lys optages af C-phycoerythrin (CPE), som ændrer lysets farve til gullig orange. Det orange lys tages op af C-phycocyanin (CPC), som yderligere ændrer det til lys rødt. Den lyserøde farve absorberes af allophycocyanin (APC), som ændrer den til rød farve. Den røde farve absorberes endelig af klorofyl til produktion af mad gennem fotosyntese.
Hvad lærte vi?
Så vi ved nu, at fotosyntese er den proces, hvormed planter producerer deres mad ved hjælp af Chl. Vi ved også, at den reducerede mængde lys, der er tilgængelig i havene, mindsker denne fotosyntetiske proces. Naturen har udviklet nogle kemiske hjælpekemiske molekyler kendt som phycobiliproteiner, som er i stand til at absorbere de farver, der er tilgængelige i havene, og gøre dette lys til en farve, som Chl-molekyler kan bruge. Disse phycobiliproteiner findes i bittesmå, usynlige cyanobakterier med det blotte øje, hvis fotosyntese er ansvarlig for at give mad til de levende organismer i havene og også til at fremstille iltet i vores atmosfære, som vi indånder hvert sekund.Er det ikke spændende, at disse små organismer kan gøre en sådan forskel for marine liv? I fremtiden håber vi at få mere forståelse af phycobiliproteins funktioner og de roller, de kan spille til gavn for menneskeheden.
Ordliste
Fotosyntese: En proces, hvor planter producere mad til sig selv og andre organismer ved hjælp af sollys og kuldioxidgas.
Klorofyl: Et kemisk molekyle til stede i planter, der absorberer sollyset til fotosyntese.
Phycobiliproteiner: Farvede pigmenter findes i cyanobakterier og visse andre organismer, der hjælper med fotosyntese ved at absorbere visse farver af lys, som klorofyl ikke kan absorbere.
Fluorescens: Egenskaben ved visse forbindelser til at absorbere en farve af lys og til at afgive en anden farve. Phycobiliproteiner bruger denne egenskab til at ændre lysets farve, de absorberer, så lyset kan bruges til fotosyntese.
Erklæring om interessekonflikt
Forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i fravær af kommercielle eller økonomiske forhold, der kan opfattes som en potentiel interessekonflikt.
Anerkendelser
Dette manuskript er tildelt registreringsnummer CSIR-CSMCRI – 114/2016. TG anerkender taknemmeligt AcSIR for Ph.D. tilmelding og CSIR (CSC 0105) for økonomisk støtte.
