Em formação

Existem pares especiais presentes no RC do fotossistema I e do fotossistema II?


Estou confuso quanto à existência de par especial (principalmente em relação ao PS2). Ambos, P680 e P700 têm um par especial?

Verifiquei várias fontes online e encontrei informações conflitantes. Por exemplo, o artigo da Wikipedia sobre Photosystem (https://en.m.wikipedia.org/wiki/Photosystem_II) diz:

Ao contrário dos centros de reação de todos os outros fotossistemas, que têm um par especial de moléculas de clorofila bem espaçadas, o pigmento que sofre a separação inicial de carga fotoinduzida em PSII é um monômero de clorofila.

Este é um hiperlink para um estudo de AW Rutherford que diz:

Propõe-se que o evento chave na evolução do PSII foi uma mutação que resultou na separação dos dois pigmentos que formavam o par especial de clorofilas, transformando-os em duas clorofilas que não eram nem especiais nem emparelhadas.

No entanto, Voet e Voet 4ed afirmam que existem duas moléculas Chla que são análogas ao par especial visto no Centro de Reação de Bactérias Fotossintéticas (PBRC).

Além disso, encontrei este (http://www.life.illinois.edu/crofts/ahab/psiistrc.html)

A natureza do P680 (o principal doador Chl) ainda é controversa. O par especial dimérico esperado de centros bacterianos não foi inequivocamente demonstrado, embora H198 de D1, e o equivalente em D2, sejam conservados como ligantes putativos, e a banda IR próxima de P680 + seja diagnóstica. Várias sugestões foram feitas de que P680 pode ser monomérico (8-10) e mais equivalente aos Chls auxiliares do centro de reação bacteriana.

O artigo não está datado, infelizmente, mas verifiquei se todas as citações são anteriores a 2000.


O que é energia luminosa?

O sol emite uma enorme quantidade de radiação eletromagnética (energia solar). Os humanos podem ver apenas uma fração dessa energia, porção essa que é, portanto, chamada de "luz quantificável". A maneira como a energia solar viaja é descrita como ondas. Os cientistas podem determinar a quantidade de energia de uma onda medindo seu comprimento de onda, a distância entre pontos consecutivos de uma onda. Uma única onda é medida a partir de dois pontos consecutivos, como de crista a crista ou de vale em vale (Figura ( PageIndex <2> )).

Figura ( PageIndex <2> ): O comprimento de onda de uma única onda é a distância entre dois pontos consecutivos de posição semelhante (duas cristas ou dois vales) ao longo da onda.

A luz visível constitui apenas um dos muitos tipos de radiação eletromagnética emitida pelo sol e outras estrelas. Os cientistas diferenciam os vários tipos de energia radiante do sol dentro do espectro eletromagnético. O espectro eletromagnético é a faixa de todas as frequências de radiação possíveis (Figura ( PageIndex <3> )). A diferença entre os comprimentos de onda está relacionada à quantidade de energia transportada por eles.

Figura ( PageIndex <3> ): O sol emite energia na forma de radiação eletromagnética. Essa radiação existe em diferentes comprimentos de onda, cada um com sua própria energia característica. Toda radiação eletromagnética, incluindo a luz visível, é caracterizada por seu comprimento de onda.

Cada tipo de radiação eletromagnética viaja em um determinado comprimento de onda. Quanto maior o comprimento de onda (ou quanto mais alongado ele aparece no diagrama), menos energia é transportada. Ondas curtas e apertadas carregam mais energia. Isso pode parecer ilógico, mas pense nisso como um pedaço de mover uma corda pesada. Uma pessoa exige pouco esforço para mover uma corda em ondas longas e largas. Para fazer uma corda se mover em ondas curtas e apertadas, uma pessoa precisaria aplicar muito mais energia.

O espectro eletromagnético (Figura 8.2.3) mostra vários tipos de radiação eletromagnética originada do sol, incluindo raios X e raios ultravioleta (UV). As ondas de alta energia podem penetrar nos tecidos e danificar células e DNA, explicando por que tanto os raios X quanto os raios UV podem ser prejudiciais aos organismos vivos.


Absorção de Luz

A energia da luz inicia o processo de fotossíntese quando os pigmentos absorvem comprimentos de onda específicos da luz visível. Os pigmentos orgânicos, seja na retina humana ou no tilacóide do cloroplasto, têm uma faixa estreita de níveis de energia que podem absorver. Níveis de energia mais baixos do que aqueles representados pela luz vermelha são insuficientes para elevar um elétron orbital a um estado excitado (quântico). Níveis de energia mais altos do que os da luz azul separarão fisicamente as moléculas, em um processo chamado branqueamento. Nossos pigmentos retinais só podem “ver” (absorver) comprimentos de onda entre 700 nm e 400 nm de luz, um espectro que é, portanto, chamado de luz visível. Pelas mesmas razões, as plantas, as moléculas de pigmento absorvem apenas a luz na faixa de comprimento de onda de 700 nm a 400 nm, os fisiologistas de plantas referem-se a essa faixa para plantas como radiação fotossinteticamente ativa.

A luz visível vista pelos humanos como luz branca realmente existe em um arco-íris de cores. Certos objetos, como um prisma ou uma gota d'água, dispersam a luz branca para revelar as cores ao olho humano. A porção de luz visível do espectro eletromagnético mostra o arco-íris de cores, com o violeta e o azul tendo comprimentos de onda mais curtos e, portanto, energia mais alta. Na outra extremidade do espectro em direção ao vermelho, os comprimentos de onda são mais longos e têm menor energia (Figura).

As cores da luz visível não carregam a mesma quantidade de energia. Violeta tem o comprimento de onda mais curto e, portanto, carrega a maior parte da energia, enquanto o vermelho tem o comprimento de onda mais longo e carrega a menor quantidade de energia. (crédito: modificação do trabalho pela NASA)


Materiais e métodos

Isolamento de complexos PSII.

A. marina MBIC 11017 foi cultivado fotossinteticamente em meio IMK sob iluminação contínua de uma luz incandescente (15 μmol fótons por m 2 · s) a 298 K. O isolamento foi conduzido a 277 K, a menos que indicado de outra forma. As células foram suspensas em uma solução tampão (50 mM Mes, pH 6,5) contendo 25% (peso / vol) de glicerol, 10 mM de MgCl2, e 5 mM de CaCl2 e foram passados ​​duas vezes por uma prensa francesa a uma pressão de 150 MPa. Detritos celulares foram removidos por centrifugação (2.000 × g por 5 min). As membranas de tilacóide foram recuperadas por centrifugação (37.000 × g por 20 min) e armazenado a 193 K até o uso. Os complexos PSII foram solubilizados a partir das membranas tilacóides por agitação suave com 1% de dodecil-β-d-maltosídeo por 20 min no escuro. Os complexos PSII solubilizados foram recuperados por centrifugação (37.000 × g por 30 min), e o sobrenadante foi submetido a purificação. A primeira etapa foi a purificação em uma coluna DEAE-Toyopearl 650S, seguida pela passagem por uma coluna UnoQ. Finalmente, as frações contendo complexos de PSII purificados foram submetidas a centrifugação em gradiente de densidade de sacarose para remover contaminantes livres de CP43 ′. A partir dessas etapas, obtivemos uma forma de dímero de complexos PSII. As composições de subunidades foram analisadas por SDS / PAGE seguindo Ikeuchi et al. (40) o gel de empilhamento foi de 4,5% e o gel de corrida foi de 16–22%. Os géis foram corados com azul brilhante de Coomassie R-250. O anticorpo criado contra um peptídeo conservado em todas as proteínas D1 conhecidas (AgriSera, Vännäs, Suécia) foi usado para a análise de Western blot da proteína D1. Algumas subunidades foram identificadas por impressão digital de massa de peptídeo.

PSII RC foi preparado a partir de espinafre conforme descrito por Nanba e Satoh (12), com ligeiras modificações (41). Núcleo PSII de Synechocystis foi purificado por cromatografia de afinidade de quelato de Ni (II) após a introdução de uma etiqueta 6 × His no terminal C de CP47 por mutagênese dirigida ao local (33, 42). As membranas PSII (partículas BBY) foram preparadas por um procedimento descrito em outro lugar (43).

Espectros de absorção e fluorescência.

Os espectros de absorção e fluorescência foram medidos pelos procedimentos descritos em outro lugar (7). A sensibilidade espectral do fluorômetro foi corrigida.

Determinação do conteúdo de pigmento.

Os pigmentos foram analisados ​​por HPLC (GULLIVER série Jasco, Tóquio, Japão) usando procedimentos descritos em outro lugar (41, 44), e foram detectados por um detector de matriz de fotodiodo (MD-915 Jasco). Uma solução padrão contendo quantidades conhecidas de α-caroteno autêntico, Chl uma, Chl de Phe uma foi usado para calibração quantitativa. Usamos coeficientes de extinção molar publicados para os pigmentos individuais (45-47). O conteúdo de PQ-9 foi medido por HPLC de fase reversa conforme descrito em detalhes em outro lugar (21).

Medições de espectros de diferença de absorção de P713.

Os espectros de diferença induzida por luz de P713 foram medidos com um espectrofotômetro de matriz de fotodiodo Hitachi U-0080D a 298 K (48). Para amostras contendo 5,3 μg / ml de Chl d, 1 mM de ferricianeto de potássio e 100 μM de silicomolibdato foram adicionados. Depois de passar por um filtro Corning 4-96, as amostras foram iluminadas com luz azul com uma intensidade de 70 μmol de fótons por m 2 · s. Os espectros de diferença de absorção na região vermelha foram obtidos pela subtração dos espectros das amostras sob iluminação dos espectros das amostras de controle. Um filtro vermelho (R-65 Toshiba, Tóquio, Japão) foi usado para proteção da luz actínica.

Medições de Phe fotoquimicamente ativa uma.

Mudanças de absorção reversíveis em Phe uma do núcleo PSII de Synechocystis foram medidos na presença de ditionito de sódio 15 mM e DPC 1 mM usando um espectrofotômetro de matriz de fotodiodo Hitachi U-0080D a 298 K. Antes da iluminação as amostras foram mantidas no escuro por 30 min a 277 K. As mudanças de absorção foram medidas sob uma cruz -sistema de iluminação (12) com luz actínica vermelha (250 μmol fótons por m 2 · s) filtros apropriados foram usados ​​[um filtro de corte vermelho (R-67) e um filtro de absorção de calor e UV (HA-50 Hoya, Tóquio , Japão) para o feixe actínico e um filtro Corning 4-96 para o feixe de medição]. A concentração de Chl foi de 10 μg / ml.

Fotoacumulação de Phe uma do A. marina PSII foi medido após a extração de PQ por tratamento com ditionita. As amostras foram incubadas com ditionito de sódio (100 mM) e benzil viologeno 0,1 mM durante & gt240 min a 277 K e foram então lavadas. Este tratamento foi repetido três vezes. Às amostras depletadas de PQ, DPC (2 mM) foi adicionado, e a iluminação de luz vermelha (250 μmol fótons por m 2 · s) foi então aplicada. O espectro de diferença de absorção foi medido na região Qx de Phe uma com um espectrofotômetro de matriz de fotodiodo Hitachi U-0080D a 298 K.

Measurements of FTIR Difference Spectra.

Os espectros de diferença FTIR do par especial (P680 em sistemas PSII típicos) após a formação do radical catiônico foram registrados em um espectrofotômetro Bruker IFS-66 / S equipado com um detector MCT (D313-L) usando o método descrito anteriormente (49). Detalhes experimentais são fornecidos em Materiais e métodos SI .


8.2 As reações dependentes de luz da fotossíntese

Como a luz pode ser usada para fazer comida? Quando uma pessoa acende uma lâmpada, a energia elétrica se transforma em energia luminosa. Como todas as outras formas de energia cinética, a luz pode viajar, mudar de forma e ser aproveitada para trabalhar. No caso da fotossíntese, a energia da luz é convertida em energia química, que os fotoautótrofos usam para construir moléculas de carboidratos (Figura 8.9). No entanto, os autótrofos usam apenas alguns componentes específicos da luz do sol.

O que é energia luminosa?

O sol emite uma enorme quantidade de radiação eletromagnética (energia solar). Os humanos podem ver apenas uma fração dessa energia, porção essa, portanto, referida como "luz visível". A maneira pela qual a energia solar viaja é descrita como ondas. Os cientistas podem determinar a quantidade de energia de uma onda medindo seu comprimento de onda, a distância entre pontos consecutivos de uma onda. Uma única onda é medida a partir de dois pontos consecutivos, como de crista a crista ou de vale a vale (Figura 8.10).

A luz visível constitui apenas um dos muitos tipos de radiação eletromagnética emitida pelo sol e outras estrelas. Os cientistas diferenciam os vários tipos de energia radiante do sol dentro do espectro eletromagnético. O espectro eletromagnético é a faixa de todas as frequências possíveis de radiação (Figura 8.11). A diferença entre os comprimentos de onda está relacionada à quantidade de energia transportada por eles.

Cada tipo de radiação eletromagnética viaja em um determinado comprimento de onda. Quanto maior o comprimento de onda (ou quanto mais alongado ele aparece no diagrama), menos energia é transportada. Ondas curtas e apertadas carregam mais energia. Isso pode parecer ilógico, mas pense nisso como um pedaço de mover uma corda pesada. Uma pessoa exige pouco esforço para mover uma corda em ondas longas e largas. Para fazer uma corda se mover em ondas curtas e apertadas, uma pessoa precisaria aplicar muito mais energia.

O espectro eletromagnético (Figura 8.11) mostra vários tipos de radiação eletromagnética originada do sol, incluindo raios X e raios ultravioleta (UV). As ondas de alta energia podem penetrar nos tecidos e danificar células e DNA, explicando por que tanto os raios X quanto os raios ultravioleta podem ser prejudiciais aos organismos vivos.

Absorção de Luz

A energia da luz inicia o processo de fotossíntese quando os pigmentos absorvem a luz. Os pigmentos orgânicos, seja na retina humana ou no tilacóide do cloroplasto, têm uma faixa estreita de níveis de energia que podem absorver. Os níveis de energia mais baixos do que aqueles representados pela luz vermelha são insuficientes para elevar um elétron orbital a um estado excitado e populável (quântico). Níveis de energia mais altos do que os da luz azul separarão fisicamente as moléculas, o que é chamado de branqueamento. Assim, os pigmentos da retina só podem “ver” (absorver) a luz de 700 nm a 400 nm, que é, portanto, chamada de luz visível. Pelas mesmas razões, as moléculas de pigmento das plantas absorvem apenas luz na faixa de comprimento de onda de 700 nm a 400 nm. Os fisiologistas de plantas referem-se a essa faixa para plantas como radiação fotossinteticamente ativa.

A luz visível vista pelos humanos como luz branca realmente existe em um arco-íris de cores. Certos objetos, como um prisma ou uma gota d'água, dispersam a luz branca para revelar as cores ao olho humano. A porção de luz visível do espectro eletromagnético mostra o arco-íris de cores, com o violeta e o azul tendo comprimentos de onda mais curtos e, portanto, energia mais alta. Na outra extremidade do espectro em direção ao vermelho, os comprimentos de onda são mais longos e têm menor energia (Figura 8.12).

Entendendo Pigmentos

Existem diferentes tipos de pigmentos, e cada um evoluiu para absorver apenas certos comprimentos de onda (cores) da luz visível. Os pigmentos refletem ou transmitem os comprimentos de onda que não podem absorver, fazendo-os aparecer na cor correspondente.

As clorofilas e os carotenóides são as duas principais classes de pigmentos fotossintéticos encontrados nas plantas e nas algas. Cada classe possui vários tipos de moléculas de pigmento. Existem cinco clorofilas principais: uma, b, c e d e uma molécula relacionada encontrada em procariotos chamada bacterioclorofila. Clorofila uma e clorofila b são encontrados em cloroplastos superiores de plantas e serão o foco da discussão a seguir.

Com dezenas de formas diferentes, os carotenóides são um grupo muito maior de pigmentos. Os carotenóides encontrados nas frutas - como o vermelho do tomate (licopeno), o amarelo das sementes de milho (zeaxantina) ou a laranja da casca de uma laranja (β-caroteno) - são usados ​​como propagandas para atrair dispersores de sementes. Na fotossíntese, os carotenóides funcionam como pigmentos fotossintéticos que são moléculas muito eficientes para o descarte do excesso de energia. Quando uma folha é exposta a pleno sol, as reações dependentes de luz são necessárias para processar uma enorme quantidade de energia, se essa energia não for tratada adequadamente, ela pode causar danos significativos. Portanto, muitos carotenóides residem na membrana do tilacóide, absorvem o excesso de energia e dissipam essa energia com segurança na forma de calor.

Cada tipo de pigmento pode ser identificado pelo padrão específico de comprimentos de onda que ele absorve da luz visível, que é o espectro de absorção. O gráfico na Figura 8.13 mostra os espectros de absorção para clorofila uma, clorofila be um tipo de pigmento carotenóide chamado β-caroteno (que absorve luz azul e verde). Observe como cada pigmento tem um conjunto distinto de picos e depressões, revelando um padrão de absorção altamente específico. Clorofila uma absorve comprimentos de onda de qualquer extremidade do espectro visível (azul e vermelho), mas não verde. Como o verde é refletido ou transmitido, a clorofila parece verde. Os carotenóides absorvem na região do azul de comprimento de onda curto e refletem os comprimentos de onda mais longos de amarelo, vermelho e laranja.

Muitos organismos fotossintéticos têm uma mistura de pigmentos que os usa, o organismo pode absorver energia de uma ampla gama de comprimentos de onda. Nem todos os organismos fotossintéticos têm acesso total à luz solar. Alguns organismos crescem debaixo d'água onde a intensidade e a qualidade da luz diminuem e mudam com a profundidade. Outros organismos crescem em competição pela luz. As plantas no chão da floresta devem ser capazes de absorver qualquer partícula de luz que atravesse, porque as árvores mais altas absorvem a maior parte da luz do sol e espalham a radiação solar restante (Figura 8.14).

Ao estudar um organismo fotossintético, os cientistas podem determinar os tipos de pigmentos presentes gerando espectros de absorção. Um instrumento chamado espectrofotômetro pode diferenciar quais comprimentos de onda de luz uma substância pode absorver. Os espectrofotômetros medem a luz transmitida e calculam a partir dela a absorção. Ao extrair pigmentos das folhas e colocar essas amostras em um espectrofotômetro, os cientistas podem identificar quais comprimentos de onda de luz um organismo pode absorver. Métodos adicionais para a identificação de pigmentos vegetais incluem vários tipos de cromatografia que separam os pigmentos por suas afinidades relativas às fases sólida e móvel.

Como funcionam as reações dependentes de luz

A função geral das reações dependentes de luz é converter a energia solar em energia química na forma de NADPH e ATP. Essa energia química apóia as reações independentes da luz e alimenta a montagem das moléculas de açúcar. As reações dependentes de luz estão representadas na Figura 8.15. Complexos de proteínas e moléculas de pigmento trabalham juntos para produzir NADPH e ATP.

A etapa real que converte a energia luminosa em energia química ocorre em um complexo multiproteico denominado fotossistema, dois tipos dos quais são encontrados embutidos na membrana do tilacóide, fotossistema II (PSII) e fotossistema I (PSI) (Figura 8.16). Os dois complexos diferem com base no que eles oxidam (ou seja, a fonte do suprimento de elétrons de baixa energia) e no que reduzem (o lugar para onde entregam seus elétrons energizados).

Ambos os fotossistemas têm a mesma estrutura básica - uma série de proteínas de antena às quais as moléculas de clorofila estão ligadas circundam o centro de reação onde ocorre a fotoquímica. Cada fotossistema é atendido pelo complexo de coleta de luz, que passa a energia da luz solar para o centro de reação que consiste em várias proteínas de antena que contêm uma mistura de 300-400 clorofila uma e b moléculas, bem como outros pigmentos como os carotenóides. A absorção de um único fóton ou quantidade distinta ou “pacote” de luz por qualquer uma das clorofilas empurra aquela molécula para um estado excitado. Em suma, a energia da luz agora foi capturada por moléculas biológicas, mas ainda não é armazenada em nenhuma forma útil. A energia é transferida da clorofila para a clorofila até que, eventualmente (após cerca de um milionésimo de segundo), seja entregue ao centro de reação. Até este ponto, apenas a energia foi transferida entre as moléculas, não os elétrons.

Conexão Visual

Qual é a fonte inicial de elétrons para a cadeia de transporte de elétrons do cloroplasto?

O centro de reação contém um par de clorofila uma moléculas com uma propriedade especial. Essas duas clorofilas podem sofrer oxidação por excitação; na verdade, podem liberar um elétron em um processo denominado fotoact. É nesta etapa do centro de reação, esta etapa da fotossíntese, que a energia da luz é convertida em um elétron excitado. Todas as etapas subsequentes envolvem colocar esse elétron no transportador de energia NADPH para entrega ao ciclo de Calvin, onde o elétron é depositado no carbono para armazenamento de longo prazo na forma de um carboidrato. PSII e PSI são dois componentes principais do elétron fotossintético cadeia de transporte, que também inclui o complexo do citocromo. O complexo citocromo, uma enzima composta por dois complexos de proteínas, transfere os elétrons da molécula carreadora plastoquinona (Pq) para a proteína plastocianina (Pc), permitindo assim a transferência de prótons através da membrana tilacóide e a transferência de elétrons de PSII para PSI.

O centro de reação do PSII (chamado P680) entrega seus elétrons de alta energia, um de cada vez, ao aceptor primário de elétrons e, por meio da cadeia de transporte de elétrons (Pq ao complexo do citocromo à plastocianina), ao PSI. O elétron ausente do P680 é substituído pela extração de um elétron de baixa energia da água, assim, a água é dividida e o PSII é reduzido novamente após cada fotoact. Dividindo um H2A molécula O libera dois elétrons, dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. A divisão de duas moléculas é necessária para formar uma molécula de O diatômico2 gás. Cerca de 10 por cento do oxigênio é usado pelas mitocôndrias na folha para apoiar a fosforilação oxidativa. O restante escapa para a atmosfera, onde é usado por organismos aeróbicos para apoiar a respiração.

Conforme os elétrons se movem através das proteínas que residem entre o PSII e o PSI, eles perdem energia. Essa energia é usada para mover átomos de hidrogênio do lado estromal da membrana para o lúmen do tilacóide. Esses átomos de hidrogênio, mais os produzidos pela divisão da água, se acumulam no lúmen do tilacóide e serão usados ​​para sintetizar ATP em uma etapa posterior. Como os elétrons perderam energia antes de sua chegada em PSI, eles devem ser reenergizados por PSI, portanto, outro fóton é absorvido pela antena PSI. Essa energia é retransmitida para o centro de reação PSI (chamado P700). P700 é oxidado e envia um elétron de alta energia ao NADP + para formar o NADPH. Assim, o PSII captura a energia para criar gradientes de prótons para fazer ATP, e o PSI captura a energia para reduzir o NADP + em NADPH. Os dois fotossistemas trabalham em conjunto, em parte, para garantir que a produção de NADPH será aproximadamente igual à produção de ATP. Outros mecanismos existem para ajustar essa proporção para corresponder exatamente às necessidades de energia em constante mudança do cloroplasto.

Gerando um Portador de Energia: ATP

Como no espaço intermembranar da mitocôndria durante a respiração celular, o acúmulo de íons de hidrogênio dentro do lúmen do tilacóide cria um gradiente de concentração. A difusão passiva de íons de hidrogênio de alta concentração (no lúmen do tilacóide) para baixa concentração (no estroma) é aproveitada para criar ATP, assim como na cadeia de transporte de elétrons da respiração celular. Os íons acumulam energia por causa da difusão e porque todos eles têm a mesma carga elétrica, se repelindo.

Para liberar essa energia, os íons de hidrogênio passarão por qualquer abertura, semelhante ao jato de água em um buraco em uma represa. No tilacóide, essa abertura é uma passagem através de um canal de proteína especializado chamado ATP sintase. A energia liberada pela corrente de íons de hidrogênio permite que a ATP sintase conecte um terceiro grupo fosfato ao ADP, que forma uma molécula de ATP (Figura 8.16). O fluxo de íons de hidrogênio através da ATP sintase é chamado de quimiosmose porque os íons se movem de uma área alta para uma área de baixa concentração por meio de uma estrutura semipermeável.


Resumo

A estrutura de cristal de raios-X do fotossistema I (PS I) descreve seis clorofilas uma moléculas (em três pares), duas filoquinonas e um cluster [4Fe-4S] arranjado em dois pseudo C2- ramos simétricos que divergem no P700 par especial e reconvergir no interpolipeptídeo FX cacho. No momento, há um acordo de que a transferência de elétrons induzida pela luz prossegue através do ramo PsaA, mas há evidências conflitantes se, e em que medida, o ramo PsaB está ativo. Este problema é resolvido em cianobacteriana PS I alterando Met688PsaA e Met668PsaB, que fornecem os ligantes axiais para o Mg 2+ das clorofilas eC-A3 e eC-B3, para Leu. A premissa do experimento é que a alteração ou remoção do ligante deve alterar o potencial do ponto médio do A0 - /UMA0 par redox e, assim, resultar em uma mudança na cinética de transferência de elétrons direta de A0 - para A1. Em comparação com o tipo selvagem, o mutante do ramo PsaA mostra: (i) taxas de crescimento mais lentas, maior sensibilidade à luz e quantidades reduzidas de PS I (ii) um rendimento reduzido de transferência de elétrons de P700 para o FUMA/ FB aglomerados de ferro-enxofre à temperatura ambiente (iii) uma formação aumentada de 3 P700 estado de trigêmeo devido a P700 + A0 - recombinação e (iv) uma mudança na intensidade e na forma dos padrões de polarização dos pares radicais consecutivos de estados P700 + A1 - e P700 + FX -. As últimas mudanças são dependentes da temperatura e mais pronunciadas a 298 K. Esses resultados são interpretados como sendo devidos a desordem no A0 local de ligação, o que leva a uma distribuição de vidas úteis para A0 - no ramo de cofatores PsaA. Isso permite um maior grau de mistura singleto-tripleto durante a vida do par radical P700 + A0 -, que muda os padrões de polarização de P700 + A1 - e P700 + FX -. O menor rendimento quântico da transferência de elétrons também é a causa provável das mudanças fisiológicas neste mutante. Em contraste, o mutante do ramo PsaB mostrou apenas pequenas alterações em suas propriedades fisiológicas e espectroscópicas. Como os ambientes de eC-A3 e eC-B3 são quase idênticos, esses resultados fornecem evidências de atividade de transferência de elétrons assimétrica principalmente ao longo do ramo PsaA em cianobacteriana PS I.

Este trabalho foi financiado por doações da National Science Foundation (MCB-0117079 para JHG, MCB-0078264 para PRC), Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 498, TPA3 e SPP 'High Field EPR' para DS) e NSERC, CFI, OIT e um Prêmio de Excelência em Pesquisa do Premier (para A.vdE.).

Universidade Estadual da Pensilvânia.

Para quem a correspondência deve ser endereçada. Tel .: 814 865 1163. Fax: 814 863 7024. E-mail: [email & # 160protected] (ou [email & # 160protected] ou [email & # 160protected]).


42 As reações dependentes de luz da fotossíntese

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Explique como as plantas absorvem energia da luz solar
  • Descreva comprimentos de onda curtos e longos de luz
  • Descreva como e onde a fotossíntese ocorre dentro de uma planta

Como a energia da luz pode ser usada para fazer comida? Quando uma pessoa acende uma lâmpada, a energia elétrica se transforma em energia luminosa. Como todas as outras formas de energia cinética, a luz pode viajar, mudar de forma e ser aproveitada para trabalhar. No caso da fotossíntese, a energia da luz é convertida em energia química, que os fotoautótrofos usam para construir moléculas de carboidratos básicos ((Figura)). No entanto, os autótrofos usam apenas alguns comprimentos de onda específicos da luz do sol.


O que é energia luminosa?

O sol emite uma enorme quantidade de radiação eletromagnética (energia solar em um espectro de raios gama muito curtos a ondas de rádio muito longas). Os humanos podem ver apenas uma pequena fração desta energia, que chamamos de "luz visível". A maneira pela qual a energia solar viaja é descrita como ondas. Os cientistas podem determinar a quantidade de energia de uma onda medindo seu comprimento de onda (comprimentos de onda mais curtos são mais poderosos do que comprimentos de onda mais longos) - a distância entre os pontos consecutivos da crista de uma onda. Portanto, uma única onda é medida a partir de dois pontos consecutivos, como de crista a crista ou de vale em vale ((Figura)).


A luz visível constitui apenas um dos muitos tipos de radiação eletromagnética emitida pelo sol e outras estrelas. Os cientistas diferenciam os vários tipos de energia radiante do sol dentro do espectro eletromagnético. O espectro eletromagnético é a faixa de todas as frequências de radiação possíveis ((Figura)). A diferença entre os comprimentos de onda está relacionada à quantidade de energia transportada por eles.


Cada tipo de radiação eletromagnética viaja em um determinado comprimento de onda. Quanto maior o comprimento de onda, menos energia ele carrega. Ondas curtas e apertadas carregam mais energia. Isso pode parecer ilógico, mas pense nisso como um pedaço de corda pesada em movimento. Uma pessoa exige pouco esforço para mover uma corda em ondas longas e largas. Para fazer uma corda se mover em ondas curtas e apertadas, uma pessoa precisaria aplicar muito mais energia.

O espectro eletromagnético ((Figura)) mostra vários tipos de radiação eletromagnética originada do sol, incluindo raios X e raios ultravioleta (UV). As ondas de alta energia podem penetrar nos tecidos e danificar as células e o DNA, o que explica por que tanto os raios X quanto os raios ultravioleta podem ser prejudiciais aos organismos vivos.

Absorção de Luz

A energia da luz inicia o processo de fotossíntese quando os pigmentos absorvem comprimentos de onda específicos da luz visível. Os pigmentos orgânicos, seja na retina humana ou no tilacóide do cloroplasto, têm uma faixa estreita de níveis de energia que podem absorver. Níveis de energia inferiores aos representados pela luz vermelha são insuficientes para elevar um elétron orbital a um estado excitado (quântico). Níveis de energia mais altos do que os da luz azul irão separar fisicamente as moléculas, em um processo chamado branqueamento. Nossos pigmentos retinais só podem “ver” (absorver) comprimentos de onda entre 700 nm e 400 nm de luz, um espectro que é, portanto, chamado de luz visível. Pelas mesmas razões, as plantas, as moléculas de pigmento absorvem apenas a luz na faixa de comprimento de onda de 700 nm a 400 nm, os fisiologistas de plantas referem-se a essa faixa para plantas como radiação fotossinteticamente ativa.

A luz visível vista pelos humanos como luz branca realmente existe em um arco-íris de cores. Certos objetos, como um prisma ou uma gota d'água, dispersam a luz branca para revelar as cores ao olho humano. A porção de luz visível do espectro eletromagnético mostra o arco-íris de cores, com o violeta e o azul tendo comprimentos de onda mais curtos e, portanto, energia mais alta. Na outra extremidade do espectro em direção ao vermelho, os comprimentos de onda são mais longos e têm menor energia ((Figura)).


Entendendo Pigmentos

Existem diferentes tipos de pigmentos e cada um absorve apenas comprimentos de onda (cores) específicos da luz visível. Os pigmentos refletem ou transmitem os comprimentos de onda que não podem absorver, fazendo-os parecer uma mistura das cores da luz refletida ou transmitida.

Clorofilas e carotenóides são as duas principais classes de pigmentos fotossintéticos encontrados em plantas e algas. Cada classe possui vários tipos de moléculas de pigmento. Existem cinco clorofilas principais: uma, b, c e d e uma molécula relacionada encontrada em procariotos chamada bacterioclorofila. Clorofila uma e clorofila b são encontrados em cloroplastos superiores de plantas e serão o foco da discussão a seguir.

Com dezenas de formas diferentes, os carotenóides são um grupo muito maior de pigmentos. Os carotenóides encontrados nas frutas - como o vermelho do tomate (licopeno), o amarelo das sementes de milho (zeaxantina) ou a laranja da casca de uma laranja (β-caroteno) - são usados ​​como propagandas para atrair dispersores de sementes. Na fotossíntese, os carotenóides funcionam como pigmentos fotossintéticos que são moléculas muito eficientes para o descarte do excesso de energia. Quando uma folha é exposta a pleno sol, as reações dependentes de luz são necessárias para processar uma enorme quantidade de energia, se essa energia não for tratada adequadamente, ela pode causar danos significativos. Portanto, muitos carotenóides residem na membrana do tilacóide, absorvem o excesso de energia e dissipam essa energia com segurança na forma de calor.

Cada tipo de pigmento pode ser identificado pelo padrão específico de comprimentos de onda que ele absorve da luz visível: isso é denominado espectro de absorção. O gráfico na (Figura) mostra os espectros de absorção para clorofila uma, clorofila be um tipo de pigmento carotenóide denominado β-caroteno (que absorve luz azul e verde). Observe como cada pigmento tem um conjunto distinto de picos e depressões, revelando um padrão de absorção altamente específico. Clorofila uma absorbs wavelengths from either end of the visible spectrum (blue and red), but not green. Because green is reflected or transmitted, chlorophyll appears green. Carotenoids absorb in the short-wavelength blue region, and reflect the longer yellow, red, and orange wavelengths.


Many photosynthetic organisms have a mixture of pigments, and by using these pigments, the organism can absorb energy from a wider range of wavelengths. Not all photosynthetic organisms have full access to sunlight. Some organisms grow underwater where light intensity and quality decrease and change with depth. Other organisms grow in competition for light. Plants on the rainforest floor must be able to absorb any bit of light that comes through, because the taller trees absorb most of the sunlight and scatter the remaining solar radiation ((Figure)).


When studying a photosynthetic organism, scientists can determine the types of pigments present by generating absorption spectra. An instrument called a spectrophotometer can differentiate which wavelengths of light a substance can absorb. Spectrophotometers measure transmitted light and compute from it the absorption. By extracting pigments from leaves and placing these samples into a spectrophotometer, scientists can identify which wavelengths of light an organism can absorb. Additional methods for the identification of plant pigments include various types of chromatography that separate the pigments by their relative affinities to solid and mobile phases.

How Light-Dependent Reactions Work

The overall function of light-dependent reactions is to convert solar energy into chemical energy in the form of NADPH and ATP. This chemical energy supports the light-independent reactions and fuels the assembly of sugar molecules. The light-dependent reactions are depicted in (Figure). Protein complexes and pigment molecules work together to produce NADPH and ATP. The numbering of the photosystems is derived from the order in which they were discovered, not in the order of the transfer of electrons.


The actual step that converts light energy into chemical energy takes place in a multiprotein complex called a photosystem , two types of which are found embedded in the thylakoid membrane: photosystem II (PSII) and photosystem I (PSI) ((Figure)). The two complexes differ on the basis of what they oxidize (that is, the source of the low-energy electron supply) and what they reduce (the place to which they deliver their energized electrons).

Both photosystems have the same basic structure a number of antenna proteins to which the chlorophyll molecules are bound surround the reaction center where the photochemistry takes place. Each photosystem is serviced by the light-harvesting complex , which passes energy from sunlight to the reaction center it consists of multiple antenna proteins that contain a mixture of 300 to 400 chlorophyll uma e b moléculas, bem como outros pigmentos como os carotenóides. The absorption of a single photon or distinct quantity or “packet” of light by any of the chlorophylls pushes that molecule into an excited state. In short, the light energy has now been captured by biological molecules but is not stored in any useful form yet. The energy is transferred from chlorophyll to chlorophyll until eventually (after about a millionth of a second), it is delivered to the reaction center. Até este ponto, apenas a energia foi transferida entre as moléculas, não os elétrons.


What is the initial source of electrons for the chloroplast electron transport chain?

O centro de reação contém um par de clorofila uma moléculas com uma propriedade especial. Those two chlorophylls can undergo oxidation upon excitation they can actually give up an electron in a process called a photoact . It is at this step in the reaction center during photosynthesis that light energy is converted into an excited electron. All of the subsequent steps involve getting that electron onto the energy carrier NADPH for delivery to the Calvin cycle where the electron is deposited onto carbon for long-term storage in the form of a carbohydrate. PSII and PSI are two major components of the photosynthetic electron transport chain , which also includes the complexo de citocromo. The cytochrome complex, an enzyme composed of two protein complexes, transfers the electrons from the carrier molecule plastoquinone (Pq) to the protein plastocyanin (Pc), thus enabling both the transfer of protons across the thylakoid membrane and the transfer of electrons from PSII to PSI.

The reaction center of PSII (called P680 ) delivers its high-energy electrons, one at the time, to the primary electron acceptor , and through the electron transport chain (Pq to cytochrome complex to plastocyanine) to PSI. P680’s missing electron is replaced by extracting a low-energy electron from water thus, water is “split” during this stage of photosynthesis, and PSII is re-reduced after every photoact. Splitting one H2A molécula O libera dois elétrons, dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. However, splitting two molecules is required to form one molecule of diatomic O2 gás. About 10 percent of the oxygen is used by mitochondria in the leaf to support oxidative phosphorylation. O restante escapa para a atmosfera, onde é usado por organismos aeróbicos para apoiar a respiração.

As electrons move through the proteins that reside between PSII and PSI, they lose energy. This energy is used to move hydrogen atoms from the stromal side of the membrane to the thylakoid lumen. Those hydrogen atoms, plus the ones produced by splitting water, accumulate in the thylakoid lumen and will be used synthesize ATP in a later step. Because the electrons have lost energy prior to their arrival at PSI, they must be re-energized by PSI, hence, another photon is absorbed by the PSI antenna. That energy is relayed to the PSI reaction center (called P700 ). P700 is oxidized and sends a high-energy electron to NADP + to form NADPH. Thus, PSII captures the energy to create proton gradients to make ATP, and PSI captures the energy to reduce NADP + into NADPH. The two photosystems work in concert, in part, to guarantee that the production of NADPH will roughly equal the production of ATP. Other mechanisms exist to fine-tune that ratio to exactly match the chloroplast’s constantly changing energy needs.

Generating an Energy Carrier: ATP

As in the intermembrane space of the mitochondria during cellular respiration, the buildup of hydrogen ions inside the thylakoid lumen creates a gradiente de concentração. The passive diffusion of hydrogen ions from high concentration (in the thylakoid lumen) to low concentration (in the stroma) is harnessed to create ATP, just as in the electron transport chain of cellular respiration. The ions build up energy because of diffusion and because they all have the same electrical charge, repelling each other.

To release this energy, hydrogen ions will rush through any opening, similar to water jetting through a hole in a dam. In the thylakoid, that opening is a passage through a specialized protein channel called the ATP synthase. The energy released by the hydrogen ion stream allows ATP synthase to attach a third phosphate group to ADP, which forms a molecule of ATP ((Figure)). The flow of hydrogen ions through ATP synthase is called chemiosmosis because the ions move from an area of high to an area of low concentration through a semi-permeable structure of the thylakoid.

Visit this site and click through the animation to view the process of photosynthesis within a leaf.

Resumo da Seção

The pigments of the first part of photosynthesis, the light-dependent reactions, absorb energy from sunlight. A photon strikes the antenna pigments of photosystem II to initiate photosynthesis. The energy travels to the reaction center that contains chlorophyll uma and then to the electron transport chain, which pumps hydrogen ions into the thylakoid interior. This action builds up a high concentration of hydrogen ions. The hydrogen ions flow through ATP synthase during chemiosmosis to form molecules of ATP, which are used for the formation of sugar molecules in the second stage of photosynthesis. Photosystem I absorbs a second photon, which results in the formation of an NADPH molecule, another energy and reducing carrier for the light-independent reactions.

Visual Connection Questions

(Figure) What is the source of electrons for the chloroplast electron transport chain?


Photosystems possess distinct fluorescence emissions at low (77K) temperature. PSI emits in the long-wavelength region at

710–740 nm. In diatoms, a successful clade of marine primary producers, the contribution of PSI-associated emission (710–717 nm) has been shown to be relatively small. However, in the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum, the source of the long-wavelength emission at

710 nm (F710) remains controversial. Here, we addressed the origin and modulation of F710 fluorescence in this alga grown under continuous and intermittent light. The latter condition led to a strong enhancement in F710. Biochemical and spectral properties of the photosynthetic complexes isolated from thylakoid membranes were investigated for both culture conditions. F710 emission appeared to be associated with PSI regardless of light acclimation. To further assess whether PSII could also contribute to this emission, we decreased the concentration of PSII reaction centres and core antenna by growing cells with lincomycin, a chloroplast protein synthesis inhibitor. The treatment did not diminish F710 fluorescence. Our data suggest that F710 emission originates from PSI under the conditions tested and is enhanced in intermittent light-grown cells due to increased energy flow from the FCP antenna to PSI.


ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS

Although some progress has been made in mimicking photosynthesis in artificial systems, researchers have not yet developed components that are both efficient and robust for incorporation into a working system for capturing and storing solar energy in chemical bonds on a large scale, as does natural photosynthesis. To date, the main focus of research has been on designing and synthesizing molecular catalysts that can be linked to a light-driven charge-separation system (Tran et al. 2012). Dyes have been used for the latter, but inorganic semiconductors offer a more realistic and robust approach for providing the oxidizing and reducing potentials necessary to split water and power reductive chemistry.

Insights gleaned from the recent structural determination of PSII have initiated considerable efforts to identify artificial catalytic systems for water oxidation and hydrogen production using solar energy (Eisenberg and Gray 2008). The hydrogen produced could be used directly as a source of energy but could also be used, as it is in natural photosynthesis, to reduce carbon dioxide to other types of fuels such as methane and methanol. The challenge is to have a molecular arrangement such that the artificial catalysts efficiently use light energy to split water and concomitantly provide reducing potential for hydrogen gas production or CO2 reduction. It has been demonstrated that catalysts based on Mn or Mn doped with Ca are capable of water splitting and generating dioxygen (Limberg et al. 1999 Tagore et al. 2008 Najafpour et al. 2010 Zaharieva et al. 2011 Gao et al. 2012). Frei and coworkers (Jiao and Frei 2010) reported that nanostructured manganese oxide clusters supported on mesoporous silica efficiently evolved oxygen in aqueous solution under mild conditions.

Complementing the work on Mn has been the earlier discovery that ruthenium-based catalysts, such as the “blue dimer,” that can photooxidize water to dioxygen (Gersten et al. 1982 Liu et al. 2008 Romero et al. 2008), and the recent spectacular work of Duan et al. (2012), which has reported a rationally designed Ru-based catalyst with an unprecedented turnover rate of 300 per sec, comparable to that of PSII. But perhaps the most practical catalysts for water splitting are based on Co, a relatively abundant element. Kanan and Nocera (2008) have described a self-assembling catalyst composed of Co and phosphate ions, which can efficiently produce molecular oxygen from water at neutral pH with a low overpotential akin to that which operates in the OEC of PSII. Dau and colleagues (Risch et al. 2009) have revealed important structural details of this Co-based catalyst and found it to have a molecular organization remarkably similar to the Mn3Ca cubane of PSII. More recently, Yin et al. (2010) reported a water-splitting catalyst comprised of a Co4O4 core stabilized by oxidatively resistant polytungstate ligands that, like the Nocera (Reese et al. 2011) catalyst, is also self-assembling.

Hematite (α-Fe2O3) is a semiconductor that is also capable of photochemically splitting water to molecular oxygen. It has a favorable optical band gap (Eg = 2.2 eV), excellent chemical stability in aqueous environments, natural abundance, and low cost (Sivula et al. 2011). Indeed, hematite has been theoretically predicted to achieve a water oxidation efficiency of 16.8% (Murphy et al. 2006). However, the reported efficiencies of hematite are lower than this predicted value, mainly due to the very short lifetime of photo-generated charge carriers (<10 ps), short hole-diffusion length (2–4 nm), slow kinetics, low flat-band potential, and significant reduction in the absorption cross-section at wavelengths approaching the band-gap value. Another fundamental limitation of the hematite system is the need for externally applied bias because the conduction band of hematite is lower than the potential required to reduce protons to hydrogen. Nevertheless, it is a system that is receiving considerable attention at the present time (Tran et al. 2012).

The next step will be to couple these oxygen-producing systems to another catalyst that will use the protons and high-energy electrons derived from the water-splitting reaction to produce hydrogen gas or reduce carbon dioxide. In the case of the former, considerable progress is being made (Wang et al. 2012), in part by mimicking the natural hydrogenase enzymes found in a wide variety of microorganisms (Tran et al. 2010). In addition, a number of inorganic catalysts have been identified with activities that are almost as efficient as platinum. One such class of catalysts are based on sulfides of Mo and W (Zong et al. 2011 Merki and Hu 2011) and another is an alloy composed of Ni, Mo, and Zn (Reece et al. 2011). Identifying catalysts for the reduction of carbon dioxide, however, is more difficult because multielectron reactions are required and the emergence of catalysts for generating useful carbon fuels will require considerable effort (Fujita 2000 Arakawa et al. 2001).

The most successful coupling of catalysts using a semiconductor for light capture and charge separation was reported by Nocera and colleagues (Reece et al. 2011). They used a triple-junction amorphous Si wafer as the semiconductor, the CoPi catalyst for water splitting, and the NiMoZn alloy for the cathodic hydrogen-producing catalyst as shown in Figure 6. This latest discovery is a major step toward the development of an efficient, robust, low-cost, and scalable photocatalytic device for water splitting to generate molecular hydrogen using solar energy.

Diagramatic representation of Nocera's (Reece et al. 2011) photocatalytic device for water splitting, consisting of a triple n-junction amorphous silicon wafer, Co-based oxygen-evolving catalyst (OEC), and a NiMoZn H2-evolving catalyst as reported in Reece et al. (2011).


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