Podría decirse que el mayor impulsor de la vida en nuestro planeta es la fotosíntesis, pero comprender su química laberíntica, impulsada por la luz solar, es un desafío. Los investigadores recientemente iluminaron algunos nuevos pasos dentro de la fábrica molecular que produce el oxígeno que respiramos.
Aunque la clorofila es la parte más conocida, por el verde intenso que colorea la naturaleza, muchos compuestos trabajan juntos en la fotosíntesis. Y los químicos de Georgia Tech idearon experimentos inteligentes para inspeccionar a los jugadores involucrados íntimamente en la liberación de O2 del agua en lo que se conoce como fotosistemaII PSII.
PSII es una estructura proteica compleja que se encuentra en plantas y algas. Tiene una contraparte llamada fotosistema I, un productor igualmente complejo de oxígeno y biomateriales que funciona con luz.
Algunas de las preguntas y respuestas a continuación ayudarán a dilucidar los hallazgos de los investigadores sobre un catalizador de metal pequeño y un aminoácido dentro de PSII que funcionan de la mano para producir O2.
"La fotosíntesis en plantas y algas se puede comparar con una célula solar artificial", dijo la investigadora principal Bridgette Barry, profesora de la Facultad de Química y Bioquímica de Georgia Tech. "Pero, en la fotosíntesis, la energía de la luz alimenta la producción de alimentoscarbohidratos en lugar de cargar una batería. El agua libera O2 como subproducto ".
Barry, primer autor Zhanjun Guo, y el investigador Jiayuan publicó su investigación el 11 de mayo de 2018, en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias . Su trabajo fue financiado por la National Science Foundation.
¿Cómo la fotosíntesis II libera oxígeno del agua?
Muchos detalles aún se desconocen, pero aquí hay algunos trabajos básicos.
PS II es un complejo bioquímico compuesto principalmente por grandes cilindros de sacacorchos de aminoácidos y algunos cilindros más pequeños que se unen con cadenas de aminoácidos. El ciclo de reacción que extrae el O2 del H2O se produce en un punto pequeño, en el que se centró el estudio.
Para la escala, si PSII fuera un edificio bastante alto y muy ancho, el lugar podría ser del tamaño de una puerta grande en el centro inferior del edificio, y el grupo de metal estaría ubicado allí. Entrelazadas en las proteínas estaríanmoléculas en expansión que incluyen betacaroteno y clorofila, un gran semiconductor fotoeléctrico natural.
"Los fotones de la luz solar bombardean el fotosistema II y desplazan los electrones en la clorofila", dijo Barry. "Eso crea cargas negativas en movimiento".
¿Qué es el catalizador metálico?
El catalizador metálico actúa como un condensador, acumulando carga que utiliza para acelerar cuatro reacciones químicas que liberan el O2 al eliminar cuatro electrones, uno por uno, de dos moléculas de agua. En el proceso, el agua también se desprende de cuatroIones H +, es decir, protones, de dos moléculas de H2O.
Un compuesto altamente reactivo adicional actúa como un "interruptor" para impulsar el movimiento de electrones en cada paso del ciclo de reacción.
¿Qué es el 'interruptor' y qué hace?
Aquí es donde entran las ideas del nuevo estudio.
Cerca del cúmulo metálico hay un aminoácido común llamado tirosina, un pequeño bloque de construcción en esa construcción de proteínas gigantesca. Las reacciones de luz eliminan un electrón de la tirosina, convirtiéndolo en lo que se llama un radical inestable, y la versión radical de la tirosina atrae fuertemente unnuevo electrón.
Muy rápidamente obtiene ese nuevo electrón del cúmulo metálico. A medida que PSII absorbe fotones, la toma de un electrón de la tirosina y la toma de un radical de uno nuevo del cúmulo se repite rápidamente, haciendo que la tirosina sea una especie de interruptor parpadeante.
"El radical tirosina impulsa el ciclo y lo que ellos Guo y He hicieron en el laboratorio fue desarrollar una forma de ver la reacción radical en presencia del grupo de metales", dijo Barry.
Guo y Él también descubrieron que el átomo de calcio en el grupo tiene interacciones clave con la tirosina.
¿Cómo observaron ese único componente químico en un sistema vivo?
Descubrir cómo hacer que las reacciones sean observables fue minucioso. Los investigadores aislaron un poco de PSII de la espinaca y la ralentizaron enfriándola en la oscuridad.
Luego le dieron un estallido de luz roja para preparar un paso en el ciclo de reacción, luego un destello verde para tomar el electrón de la tirosina. Luego, los electrones regresaron lentamente a la tirosina.
Los investigadores observaron los procesos mediante espectroscopía vibracional, que reveló cualidades de los enlaces químicos de la tirosina. Los investigadores también examinaron el calcio y descubrieron una interacción especial entre este y la tirosina.
"Una cosa nueva que vimos fue que el ion calcio hizo que la tirosina se retuerza de cierta manera", dijo Barry. "Resulta que la tirosina puede ser un interruptor muy flexible".
Los investigadores también cambiaron el calcio por otros metales y descubrieron que el calcio cumple este papel de manera bastante óptima.
Entonces, ¿por qué es importante comprender la fotosíntesis?
"La fotosíntesis de oxígeno realmente es la gran fuente de vida en nuestro planeta", dijo Barry.
Hace unos dos mil millones de años, la fotosíntesis que genera O2 explotó, y cuando el oxígeno respirable llenó los océanos y la atmósfera de la Tierra, la vida comenzó a evolucionar hacia la variedad compleja que tenemos hoy. También hay razones pragmáticas para estudiar la fotosíntesis.
"Podría trabajar con él para hacer que los cultivos sean más productivos", dijo Barry. "Quizás tengamos que reparar y adaptar el proceso de fotosíntesis algún día también".
Las tensiones ambientales podrían debilitar la fotosíntesis en el futuro, lo que requeriría ajustes bioquímicos. Además, la fotosíntesis natural es un modelo excepcionalmente bueno para semiconductores fotoeléctricos como los utilizados en los sistemas de energía emergentes.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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