18 Novembre 2021
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Quali sono i prodotti risultanti dalla scissione dell’acqua nella fotosintesi?

I problemi di approvvigionamento energetico della società potrebbero essere risolti in futuro usando un modello adottato dalla natura. Durante la fotosintesi, le piante, le alghe e alcune specie di batteri producono zuccheri e altre sostanze ricche di energia (cioè combustibili) usando l’energia solare. Un team guidato da ricercatori del Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion di Mülheim an der Ruhr sta attualmente sviluppando metodi sperimentali per accertare come questo processo avvenga in natura. Gli scienziati stanno studiando un cofattore particolarmente importante coinvolto nella fotosintesi, un complesso manganese-calcio, che usa l’energia solare per dividere l’acqua in ossigeno molecolare. Hanno determinato la struttura esatta di questo complesso in una fase cruciale di questa reazione chimica. Questo ha portato a un suggerimento dettagliato su come l’ossigeno molecolare, O2, si forma in questo complesso metallico. Attraverso queste nuove intuizioni sulla fotosintesi, gli scienziati hanno fornito un modello per sistemi sintetici che potrebbero immagazzinare l’energia della luce solare in vettori di energia chimica.

La struttura del cluster di manganese come si trova in natura e prima della formazione del legame O-O. Sullo sfondo, il ciclo di scissione dell’acqua con gli stati intermedi da S0 a S4.

© Diagramma: MPI per la conversione dell’energia chimica

Per oltre tre miliardi di anni, la natura ha utilizzato la luce del sole come fonte di energia primaria nella fotosintesi. Nel corso di questo processo, piante, alghe e cianobatteri (alghe blu-verdi) usano la luce solare per scindere l’acqua e produrre composti chimici ricchi di energia dall’anidride carbonica (CO2). Il prodotto finale sono i carboidrati che, in natura, agiscono come combustibili solari nella cellula vivente. Sebbene le reazioni di base coinvolte nella fotosintesi siano note da molto tempo, i ricercatori del Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion di Mülheim an der Ruhr e del Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) di Saclay, Francia, sono ora riusciti a spiegare importanti dettagli del processo di scissione dell’acqua indotta dalla luce. Come risultato, hanno raffinato la base scientifica per la generazione di combustibili solari ecologici e a basso costo attraverso la fotosintesi artificiale usando la luce del sole e l’acqua, uno sviluppo che potrebbe permettere alla società di porre fine alla sua dipendenza dai combustibili fossili come petrolio, carbone e gas naturale.

Un catalizzatore per la scissione dell’acqua

La scissione catalitica dell’acqua indotta dalla luce avviene in un complesso metallico che è incorporato in una grande proteina di membrana (fotosistema II). Questo complesso è composto da quattro atomi di manganese (Mn) e un atomo di calcio (Ca), tenuti insieme da una rete di ponti di ossigeno (vedi immagine). Questo complesso ossidante dell’acqua o dell’ossigeno subisce un ciclo complicato che libera elettroni e protoni, quindi in definitiva idrogeno, e ossigeno molecolare.

In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Scienceil team di ricerca franco-tedesco presenta la struttura di questo complesso manganese-calcio direttamente prima della produzione di ossigeno. Questa comprensione di una fase chiave della fotosintesi vegetale è molto significativa: fornisce una comprensione più dettagliata del meccanismo coinvolto nella fotosintesi e permetterà lo sviluppo di sistemi sintetici per la scissione dell’acqua indotta dalla luce sulla base di questo modello.

Lo studio è il risultato di una stretta collaborazione tra i dipartimenti di chimica biofisica e teoria molecolare all’Istituto Max Planck per la conversione dell’energia chimica sotto la guida di Wolfgang Lubitz e Frank Neese. All’interno di questi dipartimenti, Nicholas Cox e Dimitrios Pantazis hanno messo insieme un team interdisciplinare che mira ad ottenere una migliore comprensione dei dettagli molecolari della scissione dell’acqua in natura.

Tre sfide poste dalla ricerca sul fotosistema II

La prima sfida affrontata dai ricercatori ha riguardato l’estrazione e la purificazione del fotosistema II con un complesso di scissione dell’acqua completamente intatto dall’organismo originale, un cianobatterio termofilo, che si trova in sorgenti calde e vulcani in Giappone ed è molto robusto. Per soddisfare i requisiti molto rigorosi sulla qualità della preparazione, i ricercatori di Saclay hanno dovuto svolgere diversi anni di lavoro di sviluppo in collaborazione con ricercatori giapponesi.

La seconda sfida che il team di ricerca ha incontrato riguardava la caratterizzazione del complesso di manganese nel fotosistema II durante le diverse fasi di scissione dell’acqua. I ricercatori del dipartimento di chimica biofisica del Max Planck Institute di Mülheim hanno superato questo ostacolo con l’aiuto della risonanza paramagnetica elettronica (EPR). Questa tecnica permette di visualizzare la distribuzione degli elettroni in una molecola o in un complesso metallico e quindi fornisce una visione profonda delle singole fasi della scissione dell’acqua. “Queste misure hanno generato nuove informazioni e hanno permesso di risolvere i problemi relativi all’analisi dettagliata delle strutture molecolari nel ciclo di reazione che non sono accessibili con altri metodi”, dice il dottor Alain Boussac del CEA di Saclay.

Infine, la terza sfida consisteva nell’utilizzare le informazioni ottenute per produrre un modello strutturale completo del biocatalizzatore. I calcoli necessari per questo processo sono stati facilitati utilizzando nuovi metodi teorici e i supercomputer del Dipartimento di Teoria Molecolare dell’Istituto Max Planck. In questo modo, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che durante la fase finale del ciclo di reazione, una seconda molecola d’acqua si lega accanto a un atomo di ossigeno attivo nel complesso e rilascia un protone. Questo porta alla formazione del legame O-O nella fase successiva.

Carburante dalla luce del sole – copiare la natura

Grazie a questa decodifica della struttura e della funzione del catalizzatore che scinde l’acqua nel fotosistema II a livello atomico, una spiegazione del meccanismo di scissione dell’acqua è ora a portata di mano. Questa conoscenza permette l’identificazione di criteri importanti per la progettazione di catalizzatori sintetici simili che dividono l’acqua usando elementi ecologici, a basso costo e facilmente disponibili. Attualmente, il platino costoso e altri metalli rari o complessi metallici sono ampiamente utilizzati per questo scopo. Questo rende la produzione su larga scala di vettori energetici rinnovabili (carburanti) come l’idrogeno molto costosa, o addirittura impossibile.

Con l’aiuto di catalizzatori bio-ispirati, l’idrogeno o un altro combustibile solare potrebbe essere prodotto a basso costo attraverso la combinazione di dispositivi di energia solare con catalizzatori di scissione dell’acqua per la generazione di combustibili solari invece di elettricità. Questo permetterebbe al settore energetico di superare i principali problemi associati all’energia solare: la luce del sole non è disponibile 24 ore su 24 come fonte di energia, e l’elettricità non è molto adatta a far funzionare i veicoli a motore. Al contrario, il concetto di combustibile solare permette l’immagazzinamento diretto dell’energia solare in composti chimici e, quindi, l’uso di questa energia in qualsiasi momento o luogo.

“I combustibili solari sintetici aprono ampie possibilità per le tecnologie delle energie rinnovabili, in particolare per i settori dei trasporti e delle infrastrutture, che dipendono ancora dai combustibili fossili”, dice il professor Wolfgang Lubitz, direttore del Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion. “Un catalizzatore efficiente per la scissione dell’acqua, guidato dalla luce e basato su metalli comuni come il manganese, rappresenterebbe un enorme progresso. La comprensione acquisita sull’enzima naturale di scissione dell’acqua attraverso questa ricerca ha posto le basi per tali sviluppi”.

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Quali tre prodotti vengono prodotti quando l’acqua si divide nella fotosintesi?

Questa scissione libera un elettrone e provoca la formazione di ossigeno (O2) e di ioni idrogeno (H+) nello spazio del tilakoide. Tecnicamente, ogni rottura di una molecola d’acqua libera una coppia di elettroni, e quindi può sostituire due elettroni donati.

Quali sono i prodotti della scissione dell’acqua durante il fotosistema II?

PS II agisce quindi come un’ossidoreduttasi acqua:plastochinone (Wydrzynski e Satoh 2005). I prodotti sono ossigeno molecolare (tripletto) (3O2), protoni e plastoidrochinone ridotto. Il processo indotto dalla luce in PS II è molto efficiente, con una resa quantica di oltre il 90% e un’efficienza energetica di circa il 20%.

Cosa viene prodotto quando l’acqua viene scissa?

La scissione dell’acqua è il processo in cui l’acqua si decompone in idrogeno e ossigeno. Farlo passando una corrente elettrica attraverso l’acqua è chiamato elettrolisi dell’acqua.

Qual è lo scopo della scissione dell’acqua nella fotosintesi?

Durante le reazioni di luce della fotosintesi, la clorofilla sarà attivata dalla luce. Questa clorofilla attivata dalla luce scinde la molecola d’acqua. Questo processo è chiamato fotolisi. La molecola d’acqua si divide per rilasciare ioni H+ e anche ossigeno.

Possiamo produrre ossigeno dall’acqua?

Questo è possibile usando un processo noto come elettrolisi, che comporta l’esecuzione di una corrente attraverso un campione d’acqua contenente un elettrolita solubile. Questo scinde l’acqua in ossigeno e idrogeno, che vengono rilasciati separatamente ai due elettrodi.

Possiamo fare l’ossigeno a casa?

Ci sono molte sfide nel produrre ossigeno di grado medico. È anche un processo pericoloso perché l’ossigeno favorisce la combustione e può causare esplosioni. Anche se poteste produrlo in quantità sufficienti o con sufficiente purezza, avreste comunque bisogno di attrezzature per pressurizzarlo in una tanica.

Come possiamo produrre ossigeno in casa?

Generatore di ossigeno fatto in casa – YouTube | Tempo – 1:54 [Inglese]

Come si chiama la scissione dell’acqua?

Scindere l’acqua nei suoi due componenti è molto più facile da fare e si chiama elettrolisi dell’acqua. Fare idrogeno o ossigeno in questo modo sembra semplice. … Nell’elettrolisi dell’acqua, la fonte di energia usata per la reazione è l’elettricità.

Come si può dividere l’acqua senza elettricità?

Sono stati descritti più di 352 cicli termochimici per la scissione dell’acqua o termolisi, che promettono di produrre idrogeno e ossigeno dall’acqua e dal calore senza usare elettricità. Poiché tutta l’energia in entrata per questi processi è il calore, possono essere più efficienti dell’elettrolisi ad alta temperatura.

Come posso ottenere ossigeno naturalmente a casa?

Puoi aumentare la quantità di ossigeno nel tuo sangue in modo naturale. Alcuni modi includono: Aprire le finestre o uscire per respirare aria fresca. Qualcosa di semplice come aprire le finestre o fare una breve passeggiata aumenta la quantità di ossigeno che il tuo corpo porta dentro, il che aumenta il livello generale di ossigeno nel sangue.

Si può produrre ossigeno dall’acqua?

Questo è possibile utilizzando un processo noto come elettrolisi, che comporta l’esecuzione di una corrente attraverso un campione d’acqua contenente qualche elettrolita solubile. Questo scinde l’acqua in ossigeno e idrogeno, che vengono rilasciati separatamente ai due elettrodi.

Cosa succede all’ossigeno quando l’acqua viene scissa nella fotosintesi?

La scissione dell’acqua è la reazione chimica in cui l’acqua viene scissa in ossigeno e idrogeno: 2 H2O → 2 H2 + O. … Una versione della scissione dell’acqua avviene nella fotosintesi, ma non viene prodotto idrogeno. L’inverso della scissione dell’acqua è la base della cella a combustibile a idrogeno.

Il fotosistema 2 produce ossigeno?

Il fotosistema II ottiene elettroni di ricambio dalle molecole d’acqua, con conseguente loro scissione in ioni idrogeno (H+) e atomi di ossigeno. Gli atomi di ossigeno si combinano per formare ossigeno molecolare (O2), che viene rilasciato nell’atmosfera.

L’ossigeno prodotto dalla scissione dell’acqua è usato nella fotosintesi?

La scissione dell’acqua è la reazione chimica in cui l’acqua viene scissa in ossigeno e idrogeno: … Una versione della scissione dell’acqua avviene nella fotosintesi, ma non viene prodotto idrogeno. L’inverso della scissione dell’acqua è la base della cella a combustibile a idrogeno.

Cos’è la scissione fotoelettrochimica dell’acqua?

Nella scissione fotoelettrochimica (PEC) dell’acqua, l’idrogeno viene prodotto dall’acqua usando la luce del sole e semiconduttori specializzati chiamati materiali fotoelettrochimici, che usano l’energia luminosa per dissociare direttamente le molecole di acqua in idrogeno e ossigeno.

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