Streszczenie
Ostatecznie żywność, którą jemy, pochodzi z roślin, albo bezpośrednio lub pośrednio. Nie można nie doceniać znaczenia roślin jako kuchni globalnej. Rośliny „zjadają” światło słoneczne i dwutlenek węgla, aby produkować własne pożywienie i pożywienie dla milionów innych organizmów od nich zależnych. Cząsteczka chlorofil (Chl) jest kluczowa dla tego procesu, ponieważ pochłania światło słoneczne. Jednak sposób, w jaki rośliny lądowe produkują żywność bardzo różni się od sposobu, w jaki rośliny w oceanach wytwarzają pożywienie. Ponieważ światło w oceanach trudno jest dostać się pod wodę, produkcja żywności, naukowo nazywana fotosyntezą, staje się bardzo powolna. Fikobiliproteiny to białka, które wykonują tę pracę łatwiej, absorbując dostępne światło i przekazując je do Chl. Te fikobiliproteiny znajdują się w maleńkich, niewidocznych organizmach zwanych cyjanobakteriami. Ich reakcje „produkujące pożywienie” mają kluczowe znaczenie dla przetrwania wielu żywych organizmów, takich jak ryby, ptaki i inne morskie życie. Dlatego bardzo ważne jest, aby każdy zrozumiał, w jaki sposób sinice wytwarzają żywność i jaką ważną rolę odgrywają w tym procesie fikobiliproteiny.
Jak żywe istoty zdobywają pożywienie?
Kiedy myślisz o jedzeniu, czy zazwyczaj wymyślasz zdjęcia swojego ulubionego jedzenia? To naturalny proces, ponieważ jedzenie jest ważne dla każdej żywej istoty. Aby zaspokoić tę podstawową potrzebę, wszystkie żywe istoty wytwarzają własne pożywienie lub pozyskują je z innego źródła. Ludzie mogą jeść zarówno rośliny, jak i zwierzęta. Niektóre zwierzęta jedzą inne zwierzęta, podczas gdy inne zjadają rośliny jako pokarm. Ostatecznie widzimy, że wszyscy na tej planecie są uzależnieni od roślin jako pokarmu. Ale w takim razie co jedzą rośliny? W rzeczywistości rośliny „zjadają” światło słoneczne i gaz zwany dwutlenkiem węgla, z których oba są łatwo dostępne na Ziemi. Proces, w którym rośliny lądowe wytwarzają własne pożywienie przy użyciu światła słonecznego i dwutlenku węgla, jest znany jako fotosynteza (Rysunek 1). dwutlenek węgla jest absorbowany przez liście, światło słoneczne jest wychwytywane przez cząsteczkę chemiczną rośliny, zwaną chlorofilem (Chl). Wszystkie organizmy fotosyntetyzujące zawierają Chl.
- Rysunek 1 – Uproszczony widok tego, jak rośliny wytwarzają dla nas pożywienie.
- Liście zielone rośliny zawierają chlorofil, który pochłania światło słoneczne do produkcji pożywienia. Pożywienie to jest następnie wykorzystywane przez samą roślinę oraz inne zwierzęta, w tym ludzi.
Jednak sposób, w jaki rośliny lądowe przeprowadzają fotosyntezę, nie pomaga organizmom żyjącym w oceanach, które pokrywają prawie 70% naszej ziemi. Rośliny w oceanach mają problemy z dowcipem dostępność światła. Niebieskie i zielone części światła wnikają do wody bardziej niż żółte i czerwone części światła (Rysunek 2). Na szczęście rośliny oceaniczne uzyskują pomoc w produkcji pożywienia z tak ograniczonego światła i dwutlenku węgla, z mikroskopijnych mikrobów zwanych cyjanobakteriami (znanymi również jako sinice). Te drobnoustroje przystosowały się do słabego oświetlenia i przeprowadzają fotosyntezę zarówno dla siebie, jak i dla korzyści innych żywych istot. Sinice to starożytne mikroby, które żyją na naszej ziemi od miliardów lat. Mówi się, że sinice są odpowiedzialne za tworzenie atmosfery wypełnionej tlenem, w której żyjemy. W przeprowadzaniu fotosyntezy w warunkach słabego oświetlenia cyjanobakterie korzystają z białek zwanych fikobiliproteinami, które znajdują się w błonach komórkowych (powłoce zewnętrznej) cyjanobakterii.
- Rysunek 2 – Przenikanie światła słonecznego do oceanów.
- Światło słoneczne składa się z różnych kolory: V, fiolet; B, niebieski; G, zielony; Y, żółty; O, pomarańczowy; i R, czerwony. Kolor niebieski i zielony osiągają do 200 mw wodzie, podczas gdy wszystkie inne kolory, w tym fiolet, mogą sięgać tylko do pierwszych 100 mw oceanach. Strzałki wskazują głębokość, z jaką różne kolory światła docierają do oceanów.
Co to są Phycobiliproteins?
Fikobiliproteiny pełnią rolę asystentów chloru w środowisku wodnym (wodnym). Ponieważ światło ma trudności z przenikaniem do oceanów, fikobiliproteiny ułatwiają tę pracę, pochłaniając wszelkie dostępne światło; pochłaniają zieloną część światła i zamieniają je w światło czerwone, które jest barwą światła wymaganą przez Chl. Jednak zmiana barwy światła nie jest tak łatwa, jak się wydaje. Zielone światło musi przejść przez różne cząsteczki fikobiliproteiny, które pochłaniają światło jednego koloru i emitują światło innego koloru. Wydany kolor jest następnie przejmowany przez drugą fikobiliproteinę, która zamienia ją w trzeci kolor.Proces ten trwa do momentu, gdy emitowane światło jest czerwone, które ostatecznie może zostać przejęte przez Chl. Aby ten cały proces mógł się odbyć, mamy trzy różne rodzaje cząsteczek fikobiliprotein ułożonych w rodzaj kapelusza nad cząsteczką Chl, jak widać na rysunku 3. Te trzy rodzaje fikobiliprotein to:
-
(a) C-fikoerytryna (CPE), koloru różowawo-czerwonego, odpowiedzialna za pochłanianie zielonej części światła słonecznego.
-
(b) C-fikocyjanina (CPC), ciemnoniebieska i odpowiedzialna za pochłanianie pomarańczowo-czerwonej części światła słonecznego.
-
(c) Allofikocyjanina (APC) ), koloru jasnoniebieskiego i odpowiedzialna za pochłanianie czerwonej części światła słonecznego.
- Rysunek 3 – Kapeluszowe rozmieszczenie fikobiliprotein i chlorofilu (Chl) w cyjanobakteriach.
- Zielone światło jest najpierw absorbowane przez C -fikoerytryna, która przekazuje ją do C-fikocyjaniny (CPC). CPC dalej przekazuje energię świetlną do allofikocyjaniny (APC), która przekazuje ją do Chl w celu fotosyntezy przy użyciu czerwonego światła.
Fikobiliproteiny pochłaniają światło o różnych kolorach, ponieważ zawierają w sobie cząsteczki chemiczne zwane bilinami, które nadają im jasne kolory. Te biliny odpowiadają za pochłanianie światła jednego koloru i emitowanie światła innego koloru, powodując tym samym zmianę barwy światła. Zaawansowane instrumenty pozwoliły nam przeanalizować rozmieszczenie tych cząsteczek i białek w cyjanobakterii. Wiemy, że fikobiliproteiny mają kształt dysków, a dyski są ułożone jeden na drugim, tworząc strukturę podobną do kapelusza. Jeden koniec stosu jest wykonany z CPE, a drugi z CPC. Ten zespół łączy się z rdzeniem wykonanym z APC. Cała ta struktura jest połączona z Chl, który przyjmuje czerwone światło emitowane przez APC. Układ struktury podobnej do kapelusza pokazano na rysunku 3.
Jak przebiega transfer energii świetlnej w fikobiliproteinach?
Zmiana jasnego koloru z zielonego na czerwony ma umieścić w procesie znanym jako fluorescencja. Zobaczmy, czym jest fluorescencja. Wyobraź sobie przezroczysty pojemnik wypełniony różowym płynem, który po oświetleniu latarką świeci jasno na pomarańczowo! Dokładnie to robi CPE (rysunek 4). Wszystkie fikobiliproteiny mają tę ekscytującą właściwość emitowania światła widzialnego o kolorze innym niż kolor światła, które na nie padło. Gdy CPE zmieni zielone światło na żółto-pomarańczowe, CPC przejmuje żółto-pomarańczowe światło i zmienia je na jasnoczerwone. APC przejmuje to jasnoczerwone światło i zamienia je na głębokie czerwone światło dla Chl. Więc teraz mamy zielone światło zmienione na czerwone, które jest kolorem światła, które natura zamierzała pochłonąć Chl. Cały proces jest rodzajem sztafety, w której każdy uczestnik bierze udział w miejscu, w którym skończył poprzedni (rysunek 5). Te fikobiliproteiny są ważną częścią maleńkich mikroskopijnych organizmów zwanych cyjanobakteriami, które przeprowadzają fotosyntezę w podobny sposób, jak robią to rośliny lądowe. Jedyna różnica polega na tym, że używają innego zestawu cząsteczek chemicznych – sinice używają fikobiliprotein, podczas gdy rośliny lądowe używają Chl.
- Rysunek 4 – Właściwości fluorescencji C-fikoerytryny (CPE).
- Biały kolor światła wytwarzanego przez latarkę zmienia się na żółtawo-pomarańczowe światło przez CPE, które ma być pochłaniane przez C-fikocyjaninę.
- Rysunek 5 – Fikobiliproteiny zmieniają kolor światła z zielonego na czerwony, dzięki czemu można go użyć do fotosyntezy.
- Zielone światło jest pochłaniane przez C-fikoerytrynę (CPE), która zmienia kolor światła na żółtawo pomarańczowy. Pomarańczowe światło jest pochłaniane przez C-fikocyjaninę (CPC), co dodatkowo zmienia je w jasnoczerwone. Jasnoczerwony kolor jest absorbowany przez allofikocyjaninę (APC), która zmienia ją na czerwoną. Czerwony kolor jest ostatecznie wchłaniany przez chlorofil do produkcji żywności w procesie fotosyntezy.
Czego się nauczyliśmy?
Więc teraz wiemy, że fotosynteza to proces, w którym rośliny wytwarzają pożywienie przy użyciu Chl. Wiemy również, że mniejsza ilość światła dostępnego w oceanach zmniejsza ten proces fotosyntezy. Natura wyewoluowała pewne pomocnicze cząsteczki chemiczne znane jako fikobiliproteiny, które są w stanie absorbować kolory światła dostępnego w oceanach i zamieniać to światło w kolor, którego mogą używać cząsteczki Chl. Te fikobiliproteiny znajdują się w małych, niewidocznych gołym okiem cyjanobakteriach, których fotosynteza jest odpowiedzialna za dostarczanie pożywienia organizmom żywym w oceanach, a także za wytwarzanie tlenu w naszej atmosferze, którym oddychamy w każdej sekundzie.Czy to nie ekscytujące, że te maleńkie organizmy mogą tak zmienić życie morskie? Mamy nadzieję, że w przyszłości lepiej zrozumiemy funkcje fikobiliprotein i role, jakie mogą one odgrywać dla dobra ludzkości.
Glosariusz
Fotosynteza: proces, w którym rośliny produkują pożywienie dla siebie i innych organizmów za pomocą światła słonecznego i dwutlenku węgla.
Chlorofil: cząsteczka chemiczna obecna w roślinach, która pochłania światło słoneczne do fotosyntezy.
Fikobiliproteiny: barwne pigmenty występujące w cyjanobakteriach i niektóre inne organizmy, które pomagają w fotosyntezie poprzez pochłanianie pewnych kolorów światła, których chlorofil nie może wchłonąć.
Fluorescencja: właściwość niektórych związków do pochłaniania jednego koloru światła i wydzielania innego koloru. Fikobiliproteiny wykorzystują tę właściwość do zmiany koloru pochłanianego przez nie światła, tak aby można je było wykorzystać do fotosyntezy.
Oświadczenie o konflikcie interesów
Autorzy deklarują, że badanie zostało przeprowadzone w brak jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.
Podziękowania
Temu manuskryptowi przypisano numer rejestracyjny CSIR-CSMCRI – 114/2016. TG z wdzięcznością dziękuje AcSIR za doktorat. rejestracja i CSIR (CSC 0105) w celu uzyskania wsparcia finansowego.
