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¿Pueden las plantas producir oxígeno por la noche (sin luz)?

¿Pueden las plantas producir oxígeno por la noche (sin luz)?


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Hice clic accidentalmente en un "TopnorteXes esoY"Resultó en Google y encontré las 9 mejores plantas que también producen (sic) oxígeno por la noche (lo mejor para interiores).

En esta útil respuesta, encontré una descripción agradable y concisa que solo voy a reproducir aquí:

La fotosíntesis consta de dos pasos generales, uno que requiere luz y otro que no. El primer paso ocurre en la membrana tilacoide y divide el agua en oxígeno, iones de hidrógeno y energía. El segundo paso es el paso de fijación de carbono, que se produce en los cloroplastos y utiliza energía para convertir el dióxido de carbono en carbohidratos.

Paso 1: $ ce {2 H2O + luz → 2 H + + O2 + energía} $

Paso 2: $ ce {3 CO2 + 6 H + + energía → C3H6O3-P + 3 H2O} $

En general, el oxígeno liberado por las plantas proviene de la división del agua que es impulsada (en un proceso de varios pasos) por fotones. Por lo que recuerdo, el moléculas de oxigeno ($ ce {O2} $) generalmente se producen y liberan al aire en segundos, y ciertamente en minutos después de que se hayan absorbido todos los fotones necesarios para ello.

Por eso estoy preguntando; ¿Hay plantas que realmente produzcan cantidades significativas de oxígeno, o incluso medibles, sin luz?

(¿O la idea aquí es que dejas las luces encendidas por la noche y entonces en realidad cualquier planta ¿Puede producir oxígeno por la noche?)


Respuesta corta: Cualquier planta puede producir oxígeno por la noche, pero las plantas no pueden producir oxígeno sin luz.

Respuesta más larga: Todo se reduce a la espontaneidad de una reacción, es decir, si una reacción puede ocurrir sin entrada de energía o no.

Antes de hablar de espontaneidad, creo que es mejor conocer primero el proceso del que estamos hablando aquí. En la fotosíntesis, la reacción de división del agua ocurre en el complejo que genera oxígeno a través de un proceso conocido como ciclo Joliot-Kok (o simplemente, ciclo Kok).1. Aunque todavía no se comprende el mecanismo completo de este proceso, la reacción básica se puede representar en un diagrama como2:

(Preste atención a que en el diagrama, el tiempo necesario está en microsegundos e incluso nanosegundos. Entonces, a nivel molecular, ¡la evolución de oxígeno no toma minutos o incluso segundos! Sin embargo, a mayor escala, la liberación de oxígeno puede llevar más tiempo, ya que el oxígeno formado tiene que atravesar muchos fluidos, como la membrana tilacoide, el estroma, la membrana del cloroplasto, el citoplasma, etc. antes de salir finalmente a la atmósfera.)

Para saber dónde se requieren los fotones (ya que el diagrama anterior no habla de eso), dejaré entrar otro diagrama que involucra los pasos donde entran los fotones (como lo describe Rutherford et al, 1989):

Como puede ver, el ciclo de Kok no recibe una entrada directa de energía a través de fotones. Más bien, es la P de alta energía680+ que oxida una tirosina activa redox (YZ), lo que impulsa la reacción (el proceso real es mucho más complejo, vea otra respuesta o Halverson et al, 2003 para más detalles).

Ahora, hablando de la espontaneidad de esta reacción, la oxidación del agua en hidrógeno y oxígeno es un proceso endotérmico, es decir, no es de naturaleza espontánea. De hecho, el proceso requiere 475 kJ / mol de energía para que ocurra (Wikipedia). Esta barrera de energía es tan grande que también en el ciclo de Kok, se requieren 4 fotones para provocar la oxidación de 1 molécula de agua (generalmente, los catalizadores se utilizan para derribar la barrera de energía de una reacción no espontánea para que pueda ser realizado en condiciones normales). Nilsson et al, 1857 habla del cambio de energía libre ($ Delta G_0 $) del ciclo. Vea el gráfico para el cambio de energía libre:

Como se ve claramente en el gráfico, se necesita una mayor cantidad de energía para oxidar el agua ($ E_P ^ +, S_2 rightarrow S_3 $) e incluso más para la liberación de dioxígeno del complejo ($ S_4 rightarrow S_0 $) (aunque el cambio de energía libre es negativo para el último paso, es decir, la liberación de oxígeno es espontánea, pero la energía total es mayor que la de S3). Por lo tanto, dado que la reacción requiere un aporte total de energía, las plantas no pueden producir oxígeno sin luz. Además, como ya sospecha, el punto aquí es la abundancia de luz de fuentes artificiales que hace que algunas plantas puedan producir oxígeno por la noche.

PRIMA: Agregaré algunos detalles sobre la termodinámica del sistema (omita esta parte si no le interesan las matemáticas). Las ecuaciones básicas que usaré aquí son la ecuación fundamental de Gibbs ($ Delta G = Delta H - T Delta S $), la ecuación de Arrhenius ($ k = A times e ^ {- E_a / RT} $) y la ecuación de Eyring ($ k = k_BT / h times e ^ {- Delta G ^ ddagger / RT} $) y los datos usados ​​serán de Nilsson et al, 1857.

Desde $ Delta G = Delta H - T Delta S $, para hacer una reacción espontánea ($ Delta G <0 $), debe haber liberación de calor ($ Delta H <0 $) o aumentar en entropía ($ Delta S> 0 $). Como sabemos ahora, la reacción es endotérmica, es decir, hay absorción de calor. Por lo tanto, debe haber un aumento en la entropía general para impulsar la reacción. Si observa el gráfico del cambio de energía libre en diferentes pasos de reacción, resulta así:

En esto, $ Delta G_0 $ es el cambio de energía total, $ Delta G_ {in} $ es la entrada de energía requerida (dada por fotones), $ Delta G_ {ex} $ es el cambio de energía libre final y $ Delta G ^ ddagger $ es la energía de activación de Gibbs. Aquí, $ Delta G_ {ex} $ (mostrado en azul) corresponde solo al cambio de entropía cuando los productos finales (oxígeno y protones) se liberan del sistema ya que aquí no hay cambio de entalpía.

En liberación intermedia etapa, la fracción molar $ x = 1 $ para el oxígeno, mientras que en producto disociado etapa fracción molar para agua $ x_1 = 56 / ([O_2] _0 + 56) $ y para oxígeno $ x_2 = [O_2] _0 / ([O_2] _0 + 56) $ (asumiendo la molaridad del agua = 56 M) ya que en la etapa final, agua u oxígeno o ambos pueden permanecer unidos al sitio activo.

Para liberación de oxígeno: $ [O_2] _0 = 273 ~ mu M $ y $ T = 298 ~ K $

lo que da $ Delta G_1 = - ~ T Delta S_1 = - ~ 314 ~ meV $

Para la liberación de protones: $ Delta G_2 = - ~ T Delta S_2 = - ~ 516 ~ meV $ (dado que no hay cambio de entalpía, $ Delta H $ se ignora)

Ahora, $ Delta G_ {ex} = Delta G_1 + Delta G_2 = - ~ 314 - 516 = - ~ 830 ~ meV $

También $ Delta G_0 = Delta G_ {in} + Delta G_ {ex} $

Desde $ Delta G_ {ex}> Delta G_0 $ por lo tanto $ Delta G_ {in}> 0 $ es decir, se suministra energía.

Ahora, para la reacción $ ~~ P_ {680} Y_Z ^ {ox} M_3 rightarrow P_ {680} Y_ZM_0 + O_2 $ (para lo cual hicimos el gráfico anterior)

Constante de tiempo $ tau approx 10 ^ {- 3} ~ s $

es decir, $ 1 / k = 10 ^ {- 3} ~ s $

o $ k = 10 ^ 3 ~ s ^ {- 1} $

Usando la ecuación de Eyring $ k = k_BT / h times e ^ {- Delta G ^ ddagger / RT} $

Obtenemos $ Delta G ^ ddagger = - ~ 580 ~ meV $

En otras palabras $ Delta G_ {in} leq - ~ 580 ~ meV $

Nuevamente $ Delta G_0 = Delta G_ {in} + Delta G_ {ex} $

Al resolver, $ Delta G_0 leq - ~ 250 ~ meV $

Nuevamente, de la ecuación de Eyring, obtenemos $ k geq 10 ^ 4 ~ s ^ {- 1} $

La constante de velocidad grande muestra que existe una fuerte fuerza impulsora para la liberación de oxígeno del sistema, lo que muy probablemente se debe a una mayor entropía del producto final.

Por lo tanto, la enzima reduce la energía libre de la reacción, pero a expensas de una barrera de energía de activación aumentada. Volviendo al punto principal, dado que se suministra energía al sistema para la reacción, la reacción no es espontánea. Sin embargo, el último paso de la reacción es espontáneo (como también se ve en el primer gráfico) debido al aumento en la entropía traslacional y rotacional de los productos finales cuando se liberan (en los cálculos anteriores, descuidamos la entropía rotacional debido a la falta de datos). Además, los cálculos anteriores fueron solo para el último paso de la reacción ($ S_4 rightarrow S_0 $) para mostrar su espontaneidad. En todos los demás pasos, se debe suministrar energía al sistema para impulsar la reacción (como se muestra en el primer y segundo gráfico anterior), haciendo que la reacción general sea endergónica. Espero que esto ayude ahora.

Referencias:

1. Colaboradores de Wikipedia. "Complejo generador de oxígeno". Wikipedia, la enciclopedia libre. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 1 de enero de 2017. Web. 18 de abril de 2017.

2. Evolución del oxígeno - 1996, Antony Crofts, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

3. A.W. Rutherford, Photosystem II, the water-splitting enzima, Trends in Biochemical Sciences, Volumen 14, Número 6, 1989, Páginas 227-232, ISSN 0968-0004, http://dx.doi.org/10.1016/0968-0004 ( 89) 90032-7.

4. Halverson, Kelly M. y Bridgette A. Barry. "Evidencia de cambios estructurales espontáneos en un estado del fotosistema II adaptado a la oscuridad". Biophysical Journal 85.4 (2003): 2581-2588. Impresión.

5. Colaboradores de Wikipedia. "Oxidación heterogénea del agua". Wikipedia, la enciclopedia libre. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 18 de abril de 2017. Web. 18 de abril de 2017.

6. Håkan Nilsson, Laurent Cournac, Fabrice Rappaport, Johannes Messinger, Jérôme Lavergne, Estimación de la fuerza impulsora para la formación de dioxígeno en la fotosíntesis, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergética, Volumen 1857, Número 1, enero de 2016, páginas 23- 33, ISSN 0005-2728, http://doi.org/10.1016/j.bbabio.2015.09.011.


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Comentarios:

  1. Gabei

    Es una idea notable, bastante valiosa.

  2. Mezibei

    Muy bien !!! 5+

  3. Jimmie

    Tema incomparable, me gusta)))))

  4. Cortland

    ¿Eres, por casualidad, un experto?



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