광분해

Photodissociation
이 기사는 화학 작용에 관한 것이다. 핵반응에 대한 자세한 내용은 Photodisintegration을 참조하십시오.

광분해, 광분해 또는 광선분해(photodissation), 광선분해(photodecomposition)는 광자에 의해 화학적 화합물이 분해되는 화학반응이다. 그것은 하나 이상의 광자와 하나의 표적 분자의 상호작용으로 정의된다. 광분리는 가시광선에 국한되지 않는다. 충분한 에너지를 가진 광자는 화학적 화합물의 화학적 결합에 영향을 미칠 수 있다. 광자의 에너지는 파장에 반비례하기 때문에 자외선, X선, 감마선 등 가시광선 이상의 에너지를 가진 전자기파가 주로 그러한 반응에 관여한다.

광합성에서의 광분해

광분해는 광합성의 빛에 의존하는 반응이나 광상 또는 광화학상 또는 힐 반응의 일부다. 광합성 광분해의 일반적인 반응은 다음과 같이 주어질 수 있다.

HA2 + 2광자(빛) → 2 e− + 2+ H + A

A의 화학적 성질은 유기체의 종류에 따라 다르다. 자주색 황세균에서는 황화수소(HS2)가 황(S)으로 산화된다. 산소 광합성에서는 물(HO2)이 광분해를 위한 기질로 작용하여 이원자 산소(O2)가 생성된다. 이것은 지구의 대기로 산소를 되돌려주는 과정이다. 물의 광분해는 시아노박테리아의 태일라코이드와 녹조 및 식물의 엽록체에서 발생한다.

에너지 전달 모델

기존의 반전류 모델에서는 광합성 에너지 전달 과정을 광합성 색소 분자에서 반응 중심 분자로 가는 흥분 에너지가 분자 에너지 사다리를 따라 단계적으로 내려오는 과정으로 설명한다.

다른 파장의 광자의 효과는 유기체 내 광합성 색소의 흡수 스펙트럼에 따라 달라진다. 엽록소는 스펙트럼의 보라색 파랑과 적색 부분에서 빛을 흡수하며, 부속 색소는 다른 파장도 흡수한다. 홍조류의 피코빌린은 청록색 빛을 흡수해 홍조보다 물속 깊이 침투해 심해에서 광합성을 할 수 있다. 각각의 흡수된 광자는 색소 분자에서 엑시톤(더 높은 에너지 상태로 흥분되는 전자)의 형성을 일으킨다. 엑시톤의 에너지는 공명 에너지 전달을 통해 광시스템 II의 반응 중심에서 엽록소 분자(P680, 여기서 P는 색소를, 최대 680nm의 흡수를 나타내는 680)로 전달된다. 또한 P680은 적절한 파장에서 광자를 직접 흡수할 수 있다.

광합성 중 광분해 현상은 일련의 광구동 산화 작용에서 발생한다. P680의 통전된 전자(엑시톤)는 광합성 전자전달 체인의 일차 전자 수용기에 의해 포착되어 광시스템 II를 빠져나간다. 반응을 반복하기 위해서는 반응중심의 전자를 보충할 필요가 있다. 이것은 산소 광합성의 경우 물의 산화에 의해 발생한다. 광시스템 II(P680*)의 전자결핍반응센터는 지금까지 발견된 것 중 가장 강력한 생물학적 산화제로, 물처럼 안정된 분자를 분해할 수 있다.[1]

물 쪼개기 반응은 광시스템 II의 산소진화 복합체에 의해 촉매된다. 이 단백질 결합 무기질 복합체에는 4개의 망간 이온과 더불어 칼슘과 염화 이온을 공작용제로 포함하고 있다. 두 개의 물 분자는 망간 성단에 의해 복잡하게 되고, 망간 성단은 광시스템 II의 반응 중심을 보충하기 위해 일련의 4개의 전자 제거(산소화)를 거친다. 이 사이클이 끝나면 자유산소(O2)가 생성되고 물 분자의 수소가 태일라코이드 루멘(돌라이의 S-상태도)으로 방출되는 4개의 양자로 전환된다.[citation needed]

이러한 양성자뿐만 아니라 전자전달체인과 결합한 태라코이드 막에 걸쳐 추가로 펌핑된 양성자는 광인산화를 촉진하는 막에 걸쳐 양성자 구배를 형성하고 따라서 아데노신 삼인산(ATP) 형태의 화학적 에너지 생성이다. 전자는 광계 I의 P700 반응 센터에 도달하고, 거기서 빛에 의해 다시 힘을 얻는다. 그것들은 또 다른 전자전달 체인을 거쳐 마침내 코엔자임 NADP와+ 태일라코이드 밖의 양성자와 결합하여 NADPH를 형성한다. 따라서 물 광분해의 순 산화 반응은 다음과 같이 기록할 수 있다.

2 HO2 + 2 NADP+ + 8광자(빛) → 2 NADPH + 2H+2 + O

이 반응에 대한 자유 에너지 변화(ΔG)는 몰당 102 킬로칼로리다. 700nm에서 빛의 에너지는 광자 몰당 약 40kcal이므로, 약 320kcal의 빛 에너지를 반응에 사용할 수 있다. 따라서 광분해 및 전자전달 중에 이용 가능한 광 에너지의 약 3분의 1이 NADPH로 캡처된다. 양성자 구배를 통해 동일한 양의 ATP가 생성된다. 부산물로서의 산소는 더 이상 반응에 쓸모가 없어 대기 중으로 방출된다.[2]

양자 모형

2007년에 Graham Fleming과 그의 동료들에 의해 양자 모델이 제안되었는데, 여기에는 광합성 에너지 전달이 양자 진동을 수반할 가능성을 포함하며, 그것의 비정상적인 높은 효율을 설명하였다.[3]

Fleming[4]에 따르면 직접적인 증거는 현저하게 오래 사는 파도 같은 전자 양자 결맞음에너지 전달 과정에서 광합성을 하는 동안 때문에 시스템, 낮은 손실, 그리고 ch을 가지고 함께 모든 잠재적 에너지 경로를 조사할 수 있는 에너지 전달의 극단적인 효율성 설명할 수 있는 중요한 부분 있다.oose 가장 효율적인 것. 그러나 이러한 주장은 그 이후 여러 출판물에서 잘못된 것으로 판명되었다.[6][7][8][9]

이러한 접근방식은 토론토 대학의 그레고리 스콜스와 그의 연구팀이 추가적으로 조사했으며, 2010년 초에 일부 해양 조류들이 에너지 이용의 효율성을 높이기 위해 양자 일관성 전자 에너지 전달(EET)을 사용한다는 연구 결과를 발표했다.[10][11][12]

광 유도 양성자 전이

광택제는 광 흡수 시 양성자 전이를 거쳐 광자제를 형성하는 분자다.

이러한 반응에서 분리는 전자적으로 흥분된 상태에서 발생한다. 양성자가 전자 접지 상태로 옮겨 이완시킨 후에 양성자와 산은 다시 결합하여 광산체를 형성한다.

광택제는 초고속 레이저 분광 실험에서 pH 점프를 유도하기 위한 편리한 원천이다.

대기 중의 광분해

탄화수소와 질소산화물과 같은 1차 오염물질이 반응하여 과산화질소와 같은 2차 오염물질을 형성하는 일련의 반응의 일부로 대기 중에 광분해가 발생한다. 광화학 스모그를 참조하십시오.

대류권에서 가장 중요한 두 가지 광분해 반응은 첫째로 다음과 같다.

O3 + hν → O2 + O(1D) λ < 320nm

물과 반응하여 히드록실 래디컬을 만들 수 있는 흥분된 산소 원자를 생성한다.

O(1D) + H2O → 2 •OH

히드록실 라디칼은 대기 중 탄화수소의 산화를 개시하여 세제의 역할을 하기 때문에 대기 화학의 중심이다.

둘째로, 반응은 다음과 같다.

NO2 + hν → NO + O

대류권 오존의 형성에 있어 주요한 반응이다.

오존층의 형성도 광분해에 의해 발생한다. 지구 성층권의 오존은 자외선이 산소 원자 두 개(O2)를 포함한 산소 분자를 충돌시켜 개별 산소 원자(원자 산소)로 쪼개져 생성된다. 그러면 원자 산소는 파괴되지 않은 O와2 결합하여 오존, O를3 생성한다. 또 광분해란 CFC가 상층 대기권에서 분해돼 오존 파괴 염소 활성산소를 형성하는 과정이다.

천체물리학

천체물리학에서 광분해는 분자가 분해되는 주요한 과정 중 하나이다(그러나 새로운 분자가 형성되고 있다). 성간 매질의 진공 때문에 분자와 활성산소가 오랫동안 존재할 수 있다. 광분리는 분자가 분해되는 주요 경로다. 광분해율은 항성이 형성되는 성간 구름의 구성을 연구하는 데 중요하다.

성간 매체에서의 광분화의 예는 다음과 같다(hν는 주파수 ν의 단일 광자의 에너지).

대기 감마선 폭발

현재 궤도를 선회하는 위성은 하루 평균 약 1회의 감마선 폭발을 감지하고 있다. 감마선 폭발은 관측 가능한 우주의 대부분인 수십억 개의 은하를 포함하는 부피에서 볼 수 있기 때문에, 이는 감마선 폭발이 은하당 극히 드문 사건이어야 함을 시사한다.

감마선 폭발의 정확한 속도를 측정하는 것은 어렵지만, 은하와 거의 같은 크기의 은하의 경우 예상 속도(긴 GRB의 경우)는 약 10만년에서 100만년에 한 번 폭발한다.[13] 이것들 중 몇 퍼센트만이 지구로 보내질 것이다. 짧은 GRB의 비율 추정치는 알려지지 않은 신호 분율 때문에 훨씬 더 불확실하지만, 아마도 유사할 것이다.[14]

은하수에서 감마선이 폭발한 것은 지구와 충분히 가깝고 그쪽으로 빛나면 생물권에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 대기 중 방사선이 흡수되면 질소의 광분해를 일으켜 오존을 파괴하는 촉매 역할을 할 질소산화물이 생성된다.[15]

대기 광분해

굴복할 것이다

  • NO2(오존 분자 최대 400개)
  • CH2(공칭)
  • CH4(공칭)
  • CO2

(iii)

2004년 연구에 따르면, 약 1킬로파섹 거리의 GRB는 지구 오존층의 절반까지 파괴할 수 있다; 감소된 오존층을 통과하는 추가적인 태양 자외선과 결합된 폭발로 인한 직접 UV 조사는 잠재적으로 먹이 사슬에 중대한 영향을 미치고 잠재적으로 멸종된 대량 살상 현상을 유발할 수 있다.이온.[16][17] 저자들은 그러한 폭발이 10억 년에 한 번 일어날 것으로 추정하며, 오르도비안-실루리아 멸종 사건은 그러한 폭발의 결과일 수 있다고 가정한다.

긴 감마선 폭발이 우선적으로 발생하거나 야금성이 낮은 지역에서만 발생한다는 강한 징후가 있다. 은하수는 지구가 형성되기 이전부터 금속이 풍부했기 때문에, 이 효과는 지난 10억년 내에 은하 내부에서 긴 감마선 폭발이 일어났을 가능성을 감소시키거나 없애버릴 수도 있다.[18] 그러한 야금성 편향은 짧은 감마선 폭발로 알려져 있지 않다. 따라서, 그들의 국지적인 비율과 비밍 특성에 따라, 지질학적 시간의 어느 시점에서 가까운 사건이 지구에 큰 영향을 미쳤을 가능성은 여전히 상당할 수 있다.[19]

다중 광자 분리

적외선 스펙트럼 범위에 있는 단일 광자는 일반적으로 분자의 직접 광분화에 충분히 활력이 없다. 그러나, 복수의 적외선 광자가 흡수된 후에 분자는 분리의 장벽을 극복하기 위해 내부 에너지를 얻을 수 있다. 다중 광자 분리(MPD, 적외선 방사 IRMPD)는 예를 들어 이산화탄소 레이저 또는 자유 전자 레이저와 같은 고출력 레이저를 적용하거나 충돌에 의한 급속 냉각 가능성 없이 방사선장과 분자의 긴 상호작용 시간을 통해 달성할 수 있다. 후자의 방법은 심지어 흑체 복사에 의해 유도된 MPD에도 허용되는데, 이는 흑체 적외선 복사 분열(BURD)이라는 기술이다.

참고 항목

참조

  1. ^ Campbell, Neil A.; Reece, Jane B. (2005). Biology (7th ed.). San Francisco: Pearson – Benjamin Cummings. pp. 186–191. ISBN 0-8053-7171-0.
  2. ^ Raven, Peter H.; Ray F. Evert; Susan E. Eichhorn (2005). Biology of Plants (7th ed.). New York: W.H. Freeman and Company Publishers. pp. 115–127. ISBN 0-7167-1007-2.
  3. ^ Engel Gregory S., Calhoun Tessa R., Read Elizabeth L., Ahn Tae-Kyu, Mančal Tomáš, Cheng Yuan-Chung, Blankenship Robert E., Fleming Graham R. (2007). "Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems". Nature. 446: 782–786. Bibcode:2007Natur.446..782E. doi:10.1038/nature05678. PMID 17429397.CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  4. ^ http://www.physorg.com/news95605211.html 광합성의 양자 비밀이 밝혀졌다.
  5. ^ R. Tempelaar; T. L. C. Jansen; J. Knoester (2014). "Vibrational Beatings Conceal Evidence of Electronic Coherence in the FMO Light-Harvesting Complex". J. Phys. Chem. B. 118 (45): 12865–12872. doi:10.1021/jp510074q. PMID 25321492.
  6. ^ N. Christenson; H. F. Kauffmann; T. Pullerits; T. Mancal (2012). "Origin of Long-Lived Coherences in Light-Harvesting Complexes". J. Phys. Chem. B. 116: 7449–7454. arXiv:1201.6325. doi:10.1021/jp304649c. PMC 3789255. PMID 22642682.
  7. ^ E. Thyrhaug; K. Zidek; J. Dostal; D. Bina; D. Zigmantas (2016). "Exciton Structure and Energy Transfer in the Fenna−Matthews− Olson Complex". J. Phys. Chem. Lett. 7 (9): 1653–1660. doi:10.1021/acs.jpclett.6b00534. PMID 27082631.
  8. ^ A. G. Dijkstra; Y. Tanimura (2012). "The role of the environment time scale in light-harvesting efficiency and coherent oscillations". New J. Phys. 14 (7): 073027. Bibcode:2012NJPh...14g3027D. doi:10.1088/1367-2630/14/7/073027.
  9. ^ D. M. Monahan; L. Whaley-Mayda; A. Ishizaki; G. R. Fleming (2015). "Influence of weak vibrational-electronic couplings on 2D electronic spectra and inter-site coherence in weakly coupled photosynthetic complexes". J. Chem. Phys. 143 (6): 065101. Bibcode:2015JChPh.143f5101M. doi:10.1063/1.4928068. PMID 26277167.
  10. ^ "Scholes Group Research". Archived from the original on 2018-09-30. Retrieved 2010-03-23.
  11. ^ Gregory D. Scholes (7 January 2010), "Quantum-coherent electronic energy transfer: Did Nature think of it first?", Journal of Physical Chemistry Letters, 1 (1): 2–8, doi:10.1021/jz900062f
  12. ^ Elisabetta Collini; Cathy Y. Wong; Krystyna E. Wilk; Paul M. G. Curmi; Paul Brumer; Gregory D. Scholes (4 February 2010), "Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature", Nature, 463 (7281): 644–7, Bibcode:2010Natur.463..644C, doi:10.1038/nature08811, PMID 20130647
  13. ^ 포드시아들로우스키 2004[영문 없음]
  14. ^ 게타 2006[영문 없음]
  15. ^ Thorsett 1995[영문 없음]
  16. ^ 멜로드 2004[영문 없음]
  17. ^ 완젝 2005[영문 없음]
  18. ^ 스타넥 2006[영문 없음]
  19. ^ 에자크 2007[영문 없음]