Abstrakt
Maten vi äter kommer till slut från växter, antingen direkt eller indirekt. Växternas betydelse som det globala köket kan aldrig underskattas. Växter ”äter” solljus och koldioxid för att producera sin egen mat och mat för de miljontals andra organismer som är beroende av dem. En molekyl, klorofyll (Chl), är avgörande för denna process, eftersom den absorberar solljus. producera maten är väldigt annorlunda än hur växter i haven producerar maten. Eftersom det är svårt för ljus att nå under vattnet i haven blir livsmedelsproduktionen, vetenskapligt kallad fotosyntes, mycket långsam. Fykobiliproteiner är proteiner som gör det här jobbet lättare, genom att absorbera det tillgängliga ljuset och vidarebefordra det till Chl. Dessa fykobiliproteiner finns i små, osynliga organismer som kallas cyanobakterier. Deras ”livsmedelsproducerande” reaktioner är kritiska för överlevnaden för många levande organismer som fisk, fåglar och andra liv. Det är därför mycket viktigt för alla att förstå hur cyanobakterier gör maten och vilka viktiga roller fykobiliproteinerna spelar i processen.
Hur får levande saker sin mat?
När du tänker på mat, kommer du vanligtvis med bilder av din favoritmat? Detta är en naturlig process, eftersom mat är viktigt för alla levande saker. För att uppfylla detta grundläggande behov gör alla levande saker antingen sin egen mat eller får den från någon annan källa. Människor kan äta både växter och djur. Vissa djur konsumerar andra djur, medan andra äter växter som mat. I slutändan ser vi att alla på denna planet är beroende av växter för sin mat. Men vad äter växter då? I själva verket ”äter” växter solljus och en gas som kallas koldioxid, som båda är lätt tillgängliga just här på jorden. Processen genom vilken landväxter producerar sin egen mat med solljus och koldioxid kallas fotosyntes (figur 1). koldioxid absorberas av bladen, solljuset fångas upp av en kemisk molekyl i växten, kallad klorofyll (Chl). Alla fotosyntetiska organismer innehåller Chl.
- Figur 1 – En förenklad bild av hur växter producerar mat åt oss.
- Bladen av gröna växter innehåller klorofyll som absorberar solljus för att producera mat. Denna mat används sedan av själva växten såväl som andra djur, inklusive människor.
Men hur landväxter utför fotosyntes hjälper inte organismerna som lever i haven, som täcker nästan 70% av vår jord. Växter i haven möter problem med h ljus tillgänglighet. De blå och gröna delarna av ljus tränger in i vattnet mer än de gula och röda delarna av ljus gör (figur 2). Lyckligtvis får havsplantor hjälp med att producera mat från så begränsat ljus och koldioxid, från små mikroskopiska mikrober som kallas cyanobakterier (även kända som blågröna alger). Dessa mikrober har anpassat sig till svaga ljusförhållanden, och de utför fotosyntes både för sig själva och till förmån för andra levande saker. Cyanobakterier är forntida mikrober som har levt på vår jord i miljarder år. Cyanobakterier sägs vara ansvariga för att skapa den syrefyllda atmosfären vi lever i. För att utföra fotosyntes under förhållanden med svagt ljus har cyanobakterier hjälp av proteiner som kallas fykobiliproteiner, som finns begravda i cellmembranen (det yttre skyddet) av cyanobakterierna. >
- Figur 2 – Solens genomträngning i haven.
- Solljus består av olika färger: V, violett; B, blå; G, grön; Y, gul; O, orange; och R, röd. De blå och gröna färgerna når upp till 200 m inuti vattnet, medan alla andra färger inklusive violett bara når upp till de första 100 m inuti haven. Pilarna representerar djupet till vilket olika ljusfärger når oceanerna.
Vad är Phycobiliproteiner?
Fykobiliproteiner spelar rollen som assistenter för Chl i vattenmiljöer (vatten). Eftersom ljus har svårt att tränga in i haven gör fykobiliproteiner detta jobb enklare genom att absorbera vad som helst tillgängligt ljus; de absorberar den gröna delen av ljuset och förvandlar det till rött ljus, vilket är den ljusfärg som krävs av Chl. Att ändra ljusets färg är dock inte så enkelt som det verkar. Det gröna ljuset måste passera genom olika fykobiliproteinmolekyler, som absorberar ljus av en färg och ger ljus från en annan färg. Färgen som ges ut tas sedan upp av ett andra phycobiliprotein, vilket gör det till en tredje färg.Denna process fortsätter tills det utsända ljuset är rött, vilket äntligen kan tas upp av Chl. För att hela denna process ska äga rum har vi tre olika typer av fykobiliproteinmolekyler ordnade som en slags hatt över Chl-molekylen, som du kan se i figur 3. Dessa tre typer av fykobiliproteiner är:
-
(a) C-phycoerythrin (CPE), rosa-röd till färg och ansvarig för att absorbera den gröna delen av solljus.
-
(b) C-phycocyanin (CPC), djupblå färg och ansvarig för att absorbera den orange-röda delen av solljus.
-
(c) Allophycocyanin (APC ), ljusblå i färg och ansvarig för att absorbera den röda delen av solljus.
- Figur 3 – Hattliknande arrangemang av fykobiliproteiner och klorofyll (Chl) i cyanobakterier.
- Det gröna ljuset absorberas först av C -phycoerythrin som överför det till C-phycocyanin (CPC). CPC överför vidare ljusenergin till allophycocyanin (APC) som överför den till Chl för fotosyntes med rött ljus.
Anledningen till att fykobiliproteiner absorberar ljus i olika färger är att de innehåller kemiska molekyler som kallas biliner inuti dem, vilket ger dem sina ljusa färger. Dessa biliner är ansvariga för att absorbera ljus av en färg och avge ljus från en annan färg, vilket orsakar en förändring i ljusets färg. Avancerade instrument har låtit oss analysera arrangemanget av dessa molekyler och proteiner i cyanobakterierna. Vi vet att fykobiliproteiner är formade som skivor och skivorna staplas ovanpå varandra för att bilda den hattliknande strukturen. Ena änden av stapeln är gjord av CPE, medan den andra änden är gjord av CPC. Denna montering ansluter sig till kärnan, tillverkad av APC. Hela denna struktur är kopplad till Chl, som accepterar det röda ljuset som sänds ut av APC. Arrangemanget av den hattliknande strukturen har visats i figur 3.
Hur sker överföring av ljusenergi i fykobiliproteiner?
Förändringen av ljusfärg från grönt till rött tar placeras genom en process som kallas fluorescens. Låt oss se vad fluorescens är. Föreställ dig en genomskinlig behållare fylld med en rosa färgad vätska som, när den tänds med en ficklampa, lyser orange! Det är precis vad CPE gör (figur 4). Alla fykobiliproteiner har denna spännande egenskap att avge synligt ljus i en färg som skiljer sig från ljusets färg som lyser på dem. Efter att CPE bytt grönt ljus till gulorange tar CPC upp det gulorange ljuset och ändrar det till ljusrött. APC tar upp detta ljusröda ljus och ändrar det till ett djupt rött ljus för Chl. Så nu har vi det gröna ljuset bytt till rött, vilket är ljusets färg som naturen tänkt att Chl skulle absorbera. Hela processen är ett slags stafett, där varje deltagare fortsätter där den föregående slutade (Figur 5). Dessa fykobiliproteiner är en viktig del av de små mikroskopiska organismer som kallas cyanobakterier, som utför fotosyntes på ungefär samma sätt som landplantor gör. Den enda skillnaden är att de använder en annan uppsättning kemiska molekyler – cyanobakterier använder fykobiliproteiner medan markväxter använder Chl.
- Figur 4 – Fluorescensegenskap för C-phycoerythrin (CPE).
- Den vita färgen på ljuset som produceras av ficklampan ändras till gul-orange ljus av CPE, tas upp av C-phycocyanin.
- Figur 5 – Phycobiliproteins ändrar ljusets färg från grönt till rött, så att det kan användas för fotosyntes.
- Det gröna ljuset tas upp av C-phycoerythrin (CPE), vilket ändrar ljusets färg till gulorange. Det orange ljuset tas upp av C-phycocyanin (CPC), vilket ytterligare ändrar det till ljusrött. Den ljusröda färgen absorberas av allophycocyanin (APC), som ändrar den till röd färg. Den röda färgen absorberas äntligen av klorofyll för att producera mat genom fotosyntes.
Vad lärde vi oss?
Så vi vet nu att fotosyntes är den process genom vilken växter producerar sin mat med hjälp av Chl. Vi vet också att den minskade mängden ljus som finns i haven minskar denna fotosyntetiska process. Naturen har utvecklat några hjälpkemiska molekyler som kallas fykobiliproteiner, som kan absorbera de färger som finns i haven och förvandla detta ljus till en färg som Chl-molekyler kan använda. Dessa phycobiliproteiner finns i små, osynliga cyanobakterier som är synliga för ögat, vars fotosyntes är ansvarig för att ge mat till de levande organismerna i haven och också för att göra syret i vår atmosfär som vi andas varje sekund.Är det inte spännande att dessa små organismer kan göra en sådan skillnad för marint liv? I framtiden hoppas vi få mer förståelse för fykobiliproteinernas funktioner och de roller de kan spela till förmån för mänskligheten.
Ordlista
Fotosyntes: En process genom vilken växter producera mat för sig själva och andra organismer med solljus och koldioxidgas.
Klorofyll: En kemisk molekyl som finns i växter som absorberar solljuset för fotosyntes.
Fykobiliproteiner: Färgade pigment som finns i cyanobakterier och vissa andra organismer som hjälper till med fotosyntes genom att absorbera vissa ljusfärger som klorofyll inte kan absorbera.
Fluorescens: Egenskapen hos vissa föreningar att absorbera en ljusfärg och att avge en annan färg. Fykobiliproteiner använder den här egenskapen för att ändra färgen på ljuset som de absorberar så att ljuset kan användas för fotosyntes.
Uttalande av intressekonflikter
Författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller ekonomiska förhållanden som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.
Bekräftelser
Detta manuskript har tilldelats registreringsnummer CSIR-CSMCRI – 114/2016. TG erkänner tacksamt AcSIR för Ph.D. inskrivning och CSIR (CSC 0105) för ekonomiskt stöd.
