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

Respuesta corta: Cualquier planta puede producir oxígeno durante 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 aporte 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 generador de oxígeno a través de un proceso conocido como ciclo de Joliot-Kok (o simplemente, ciclo de Kok) ¹ . Aunque todavía no se comprende el mecanismo completo de este proceso, la reacción básica se puede representar en un diagrama como ^{2 :}

( Preste atención a que en el diagrama, el tiempo tomado es en microsegundos e incluso nanosegundos. Entonces, a nivel molecular, ¡la evolución del oxígeno no toma minutos o incluso segundos! Sin embargo, a mayor escala, la liberación de oxígeno puede tomar más tiempo desde que se formó. el oxígeno tiene que pasar a través de muchos fluidos, como la membrana de los tilacoides, el estroma, la membrana del cloroplasto, el citoplasma, etc. antes de finalmente salir a la atmósfera )

Para saber dónde se requieren los fotones (ya que el diagrama anterior no habla de eso), dejaré otro diagrama que involucre los pasos en los que entran los fotones (como se muestra en 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 el P ₆₈₀ + de alta energía que oxida una tirosina redox activa (Y _Z ), 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 ocurrir ( Wikipedia ). Esta barrera energética es tan grande que también en el ciclo de Kok se necesitan 4 fotones para que se produzca la oxidación de 1 molécula de agua (generalmente se utilizan catalizadores para que derriben la barrera energética de una reacción no espontánea para que pueda ser realizado en condiciones normales). Nilsson et al , 1857 habla sobre el 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 mayor 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, la energía total sigue siendo mayor que la de S ₃ ). 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 durante la noche.

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

De$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$, para hacer una reacción espontánea ($\Delta G < 0$), o bien debe haber liberación de calor ($\Delta H < 0$) o aumento de la entropía ($\Delta S > 0$). Como sabemos ahora, la reacción es endotérmica, es decir, hay absorción de calor. Entonces, 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 ser así:

En esto,$\Delta G_0$es el cambio total de energía,$\Delta G_{in}$es la entrada de energía requerida (dada por fotones),$\Delta G_{ex}$es el cambio final de energía libre 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 la etapa intermedia de liberación , la fracción molar$x = 1$para el oxígeno, mientras que en la fracción molar de la etapa de producto disociado para el agua$x_1 = 56 /( [O_2]_0 + 56)$y para el oxigeno$x_2 = [O_2]_0 / ([O_2]_0 + 56)$(suponiendo una molaridad del agua = 56 M) ya que en la etapa final, el agua, el oxígeno o ambos pueden permanecer unidos al sitio activo.

Para la 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 descuida)

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

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

Ya que$\Delta G_{ex} > \Delta G_0$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 hemos hecho el gráfico anterior)

Tiempo constante$\tau \approx 10^{-3}~s$

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$\Delta G_{in} \leq -~580~meV$

Otra vez$\Delta G_0 = \Delta G_{in} + \Delta G_{ex}$

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

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

La gran constante de velocidad muestra que existe una fuerte fuerza impulsora para la liberación de oxígeno del sistema, lo que muy probablemente se deba al aumento de la entropía del producto final.

Por lo tanto, la enzima reduce la energía libre de la reacción, pero a expensas de una mayor barrera de energía de activación. 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 de traslación y rotación de los productos finales cuando se liberan (en los cálculos anteriores, despreciamos la entropía de rotación 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 los gráficos primero y segundo anteriores), lo que hace 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, la enciclopedia libre, 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. AW 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 de fotosistema II adaptado a la oscuridad". Revista biofísica 85.4 (2003): 2581–2588. Impresión.}

_{5. Colaboradores de Wikipedia. "Oxidación heterogénea del agua". Wikipedia, la enciclopedia libre. Wikipedia, la enciclopedia libre, 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 motriz para la formación de dioxígeno en la fotosíntesis, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, volumen 1857, número 1, enero de 2016, páginas 23- 33, ISSN 0005-2728, http://doi.org/10.1016/j.bbabio.2015.09.011.}