Capítulo 5: La Fotosíntesis
La fotosíntesis, ahora y al principio. La púrpura y la bacteria verde. Las cianobacterias (las algas azul-verdes). ¿Por qué estas criaturas diminutas usan la fotosíntesis? ¿Cómo funciona? ¿Y cómo complejo está? ¿Por qué se ha levantado? ¿Qué fue necesitado, pensarlo fuera y hacerlo? ¿Qué científicos han averiguado ahora sobre esto? Si usted, estimado lector, no entiende aquí todo los detalles técnicos, no se preocupe por él. Esto nos ayudará sólo el más, para averiguar, cuánto la bacteria diminuta sabe sobre las físicas, química, electrónica, y proceso de información.
Prof. T. D. Brock y M. T. Madigan informan: "Uno de los procesos biológicos más importantes en la tierra es fotosíntesis, la conversión de energía ligera en la energía química. La mayoría de los organismos del fototrofo es la autótrofa. Ellos pueden crecer en CO2 como la sola fuente del carbono. Se usa energía de la luz así en la reducción de CO2, a los compuestos orgánicos. La habilidad. A la fotosíntesis, es dependiente en la presencia de pigmentos luz-sensibles especiales, las clorofilas. Ellos se encuentran en las plantas, algas, y algunas bacterias. La luz alcanza los organismos del fototrófos en las unidades distintas llamado los quanta. La absorción de quanta ligeros por los pigmentos de la clorofila empieza el proceso de conversión de energía fotosintética.
"El crecimiento de una autótrofa del fototrófo puede ser caracterizado por dos juegos distintos de reacciones: las reacciones ligeras en que se convierte la energía ligera en la energía química, y las reacciones oscuras en que esta energía química se usa, reducir CO2 a los compuestos orgánicos. Para el crecimiento autotrófico, se proporciona la energía en la forma de ATP, mientras los electrones para la reducción de CO2 vienen de NADPH. El último se produce por la reducción de NADP+ por electrones que vienen de los varios donadores del electrón ser discutido debajo.
"Las reacciones ligeras provocan la conversión de energía ligera en la forma de ATP. La púrpura y las bacterias verdes usan la luz principalmente para formar ATP; ellos producen NADPH de reducir materiales que están presente en su ambiente como H2S o los compuestos orgánicos. Las plantas verdes, el alga, y cianobacterias, sin embargo, generalmente no use H2S o los compuestos orgánicos, obtener reduciendo el poder. En cambio, ellos obtienen los electrones para la reducción de NADP+, hendiéndose las moléculas de agua. Ellos producen O2 como un subproducto. La reducción de NADP+ a NADPH por estos organismos es por consiguiente un evento luz-mediado. Porque oxígeno molecular, O2, se produce, el proceso de fotosíntesis en estos organismos se llama la fotosíntesis del oxígeno. En el contraste, las bacterias purpúreas y verdes no producen oxígeno. Su proceso se llama la fotosíntesis anoxigena." Brock y Madigan (1991:563, 564).
¿Qué la clorofila en las bacterias y otros organismos hace? ¿Cómo funciona?
Brock y Madigan: "La fotosíntesis sólo ocurre en organismos que poseen algún tipo de clorofila. La clorofila es una porfirino, como es los citocromo. Pero la clorofila contiene un átomo del magnesio, en lugar de un átomo férrico, al centro del anillo del porfirino, así como una molécula del alcohol hidrófoba larga. Debido a este alcohol cadena lateral, la clorofila asocia con los lípidos y las proteínas hidrófobas de membranas fotosintéticas.
"La estructura de clorofila un, la clorofila principal de plantas más altas, la mayoría de las algas y de las cianobacterias, como mostrado en Figura 16.3 (en su libro). La clorofila un es verde en el color porque absorbe la luz roja y azul preferencialmente y transmite la luz verde.
"Las propiedades especiales de cualquier pigmento pueden ser expresadas el mejor por su espectro de absorción. Indica el grado a que el pigmento absorbe luz de longitudes de onda diferentes. El espectro de absorción de células que contienen la clorofila una, muestra absorción fuerte de luz roja (la absorción máxima a una longitud de onda de 680 nm) y la luz azul (el máximo a 430 nm)." (1991:564).
"¿Por qué los organismos tienen varios tipos de clorofilas que absorben la luz a las longitudes de onda diferentes? Una razón aparece ser, hacerlo posible, usar más de la energía del espectro electromagnético. Sólo energía ligera que está absorta se usará biológicamente. Así cuando ellos tienen más de una clorofila, más de la energía ligera incidente se pone disponible al organismo. Teniendo los pigmentos diferentes, dos organismos del no-afín pueden coexistir en un hábitat. Cada usa longitudes de onda de luz que el otro no está usando. Así, la diversidad del pigmento tiene la importancia ecológica." (1991:565).
¿Por qué es pigmentos de la clorofila dentro de la célula? ¿Qué ellos están haciendo allí?
Brock y Madigan: "Estos pigmentos, y todos los otros componentes del aparato de la luz-recolección, son asociados con las membranas especiales, las membranas fotosintéticas. La situación de las membranas fotosintéticas dentro de la célula difiere entre los procarioto y microorganismos del eucarioto. ... En los procariotos, los cloroplastos no están presentes. Y los pigmentos fotosintéticos se integran en los sistemas de la membrana interiores extensos. Un solo centro de la reacción contiene 25-30 moléculas de la bacterio-clorofila luz-segando la mies probablemente.
"La antena clorofila moléculas hechura posible un aumento dramático en la proporción a que la fotosíntesis puede llevarse a cabo. A las intensidades ligeras que a menudo prevalecen en la naturaleza los centros de la reacción pueden excitarse sólo una vez sobre por segundo. Esto no sería suficiente, llevar a cabo un proceso fotosintético significante. Las moléculas de clorofila de antena adicionales permiten colección de energía ligera a una proporción muy más rápida. Desde que la clorofila del reacción-centro sólo absorbe la energía ligera encima de un rango muy estrecho del espectro, los pigmentos de la antena también realizan la función adicional de extender fuera el rango espectral disponible para el uso." (1991:565, 566).
La unidad fotosintética y su centro asociado de la reacción en fototrofos oxígenos. Energía ligera, absorbida por las moléculas de la clorofila luz-que cosechan, recorridos al centro de la reacción, donde ocurre la eyección real de un electrón, generando una separación de la carga. Esta luz que cosecha el aparato está situada en la membrana fotosintética de la célula. De M. T. Madigan et de Fig. 13.6 del al. (1997:479). Quienquiera tiene primer pensamiento hacia fuera e hizo esta unidad fotosintética en células bacterianas, también tuvo que saber sobre las ondas luminosas, sus longitudes de onda, y la energía, que llevan. La coincidencia no puede hacer eso.
La fotosíntesis anoxigena en la púrpura y la bacteria verde. Ellos usan la luz, pero no hace oxígenos gratuitamente. ¿Cómo ellos hacen eso? ¿Qué debe que ellos todos saben y pueden hacer? ¿Cómo compleja la fotosíntesis anoxigena es?
Prof. T. D. Brock y M. T. Madigan: "El proceso de síntesis de ATP luz-mediada en todos los organismos del fototrofico involucra el transporte del electrón a través de una sucesión de portadores del electrón. Éstos se colocan los portadores del electrón en la membrana fotosintética en la serie de aquellos con el negativo a aquellos con los potenciales más positivos. Conceptualmente, el proceso de flujo del electrón fotosintético se parece eso de flujo del electrón respiratorio. De hecho, en bacterias del fototrófos que son capaz de aeróbico (oscuro) el crecimiento, muchos de los mismos componentes de transporte de electrón están presentes en las membranas de células en que o ha crecido el ligero (anaerobio) u oscuro (el aeróbico). Nosotros consideramos la estructura del aparato fotosintético ahora en los fototrofos anoxigenoses y los detalles de flujo del electrón fotosintético en bacterias purpúreas dónde mucho es conocido sobre los eventos moleculares de fotosíntesis." (1991:566).
¿Cómo los electrones fluyen durante la fotosíntesis, cuándo ellos hacen la energía química de la energía de luz? ¿Por qué ellos pueden hacer eso?
Brock y Madigan: "Debe revocarse, que el centro de la reacción fotosintético se rodea luz-segando la mies el bacterioclorofil de la antena a moléculas. Ellos el embudo la energía ligera al centro de la reacción. Se transfiere la energía ligera de la antena al centro de la reacción. Se transfiere la energía ligera de la antena al centro de la reacción en paquetes que se llaman el excitons. Eso es el singlet electrónico móvil declara que emigra a través de la antena al centro de la reacción a la eficacia alta. La fotosíntesis empieza, cuando la energía del exciton golpea el bacterioclorofil del par especial a moléculas. La absorción de energía excita el par especial, y convertido él en un reductanto fuerte, suficientemente fuerte, para reducir una molécula del aceptador de potencial muy bajo. Esto representa trabajo que se hace en el sistema por la energía ligera." (1991:563-567).
"Antes de la excitación, el centro de la reacción bacteriano tienen una energía de cerca +0.5 voltios; después de que la excitación tienen un potencial de cerca -0.7 voltios, suficiente, para reducir el bacteriofeofitin a. El electrón entusiasmado dentro del par especial procede reducir una molécula de bacteriofeofitin dentro del centro de la reacción. Esta transición ocurre increíblemente rápidamente. Toma cerca cuatro trillonésimo de un segundo (4·10-12 segundos), para ocurrir. Una vez reducido, bacterofeofitin a reduce una molécula del quinone que es parte del centro de la reacción pero que está realmente más cercano la superficie exterior de la membrana fotosintética. Esta transición también es muy rápidamente. Toma menos de 1 billonésimo de un segundo. El quinone está llamado el aceptador del electrón primario. El pariente a lo que ha pasado en el centro de la reacción, las reacciones de transporte de electrón extensos ocurre bastante despacio, en el orden de microsegundo a los millisegundo.
"Del quinone, se transportan los electrones en la membrana a través de una serie de proteínas de hierro-azufre y citocromo, y devuelve entonces al centro de la reacción. Las proteínas de transporte de electrón importantes incluyen bc1 del citocromo y citocromo c. El citocromo c sirve como un transbordador del electrón entre el bc1 del membrana-límite complejo y la reacción centra." Brock, T. D. y M. T. Madigan (1991:567, 568).
¿Qué eso significa? ¿Cómo eso trabaja?
Brock y Madigan: "la Síntesis de ATP durante el flujo del electrón fotosintético ocurre como resultado de la formación de una pendiente del protón que se genera por la expulsión del protón durante el transporte del electrón y la actividad de ATPases acoplando la dispersión de la pendiente del protón a la formación de ATP. La serie de la reacción se completa, cuando citocromo que c devuelve al electrón a los bacterioclorofiles del par especiales. Sirve, para devolver estas moléculas a su estado molido original (Eo´ +0.5 voltios). El centro de la reacción es entonces capaz, absorber la nueva energía y repetir el proceso. Este método de hacer ATP se llama el fotofosforilación cíclico, desde que se mueven los electrones repetidamente alrededor de un círculo cerrado; en el fotofosforilación cíclico hay ninguna entrada neta o consumo de electrones, como en la respiración." (1991:568, 569).
"Es sumamente importante, que la reacción del redox luz-manejada, sólo describió, tiene lugar por la membrana fotosintética. Las relaciones espaciales del electrón transportan los componentes en la membrana fotosintética bacteriana se ilustra en Figura 16.10 (en su libro). Nota, que se bombean los protones al centro de la membrana del cromotofore, mientras preparando la pendiente del protón que se usa en la síntesis de ATP así. El resultado neto de la reacción ligera es el translocación de tres protones por la membrana para cada electrón entusiasmado fotoquímico. Debe darse énfasis a, que la única cosa que la luz hace en este proceso, es crear un reductanto fuerte; las reacciones restantes no son ninguna persona a cargo ligera, pero estrictamente termodinámicamente los traslados del electrón favorables.
"Debe hacerse la importancia del arreglo del cromatofore claro. Si el proceso de flujo del electrón ocurriera en una membrana llana, los protones que se bombean por la membrana se volverían parte del ambiente externo general. Y una pendiente del protón no desarrollaría. En el arreglo del cromatofore, sin embargo, la pendiente del protón se mantiene y se emplea, para hacer el trabajo útil, como la síntesis de ATP." (1991:569).
¿Cómo eso trabaja? ¿Cómo complejo está?
Brock y Madigan: "Cuando nosotros hemos notado, la púrpura y las bacterias verdes no producen O2 durante la fotosíntesis. Se dice así que su fotosíntesis es anoxigena. Las reacciones, describió anteriormente, ha llevado a la conversión de energía ligera en el fosfato de alto-energía une de ATP. Sin embargo, si un fototrof anoxigeno crecerá con CO2 como su solo o mayor curso del carbono, la formación de ATP no es bastante. El poder reduciendo (NADPH) también debe hacerse, para que CO2 pueda reducirse al nivel de material de la célula. La fuente de electrones para el fototrofos anoxigenos es alguna substancia reducida del ambiente; El fototrofos del oxigenicos diferentes, la fuente de reducir el poder en el fototrofos anoxigenos no es el agua." (1991:569).
La oxigeno fotosíntesis hechuras gratuitamente oxígeno con la ayuda de luz. ¿Cómo eso trabaja? ¿Cómo complejo eso es? ¿Qué uno debe saber y debe poder hacer, pensar fuera esta fotosíntesis del oxigeno? ¿Por qué existe?
Prof. T. D. Brock y M. T. Madigan: "El flujo del Electrón en el fototrofos del oxigeno involucra dos distinto, pero interconectó, las reacciones fotoquímicas. Los fototrofes de oxigeno usan luz, generar ATP y NADPH. Los electrones del último se levantan, cuando el agua es hendida en oxígeno y electrones. Se llaman los dos sistemas de reacciones ligeras el foto sistema I y foto sistema II. Cada fotosistema tiene un espectralmente la forma distinta de clorofila de centro de reacción un. El fotosistema yo la clorofila, P700 llamado, absorbo el mejor la luz a las longitudes de onda largas (la luz roja lejana), considerando que el foto sistema II clorofila, P680 llamado, absorbe el mejor a las longitudes de onda más cortas (cerca de la luz roja).
"Como la fotosíntesis del anoxigenico, la fotosíntesis del oxigeno ocurre en las membranas. En las células del eucariotico, estas membranas se encuentran en el cloroplasto, mientras en las cianobacterias, se colocan las membranas fotosintétas en las pilas dentro del citoplasma. En ambos grupos de fototrofos, las dos formas de clorofila a se atan a las proteínas específicas en la membrana...
"El camino de flujo del electrón en el fototrofos del oxigeno se parece la carta bruscamente Z, cuando ha encendido su lado. Y científicos que estudian la fotosíntesis del oxigeno han venido a referirse al flujo del electrón de fototrofos del oxigeno como él 'el esquema de Z'. Nosotros debemos notar primero, que la reducción potencial de clorofila de P680 a molécula en la foto sistema II es muy alta. Es ligeramente más alto, que el de la pareja de O2/H2O. Esto es, porque el primer paso en el flujo de electrón de oxigeno es el fraccionamiento de agua en oxidar y reducir los equivalente, un termodinámicamente la reacción desfavorable.
"Un electrón del agua se denota a la molécula de P680, cuando un quantum de luz cerca de 680 el nm ha estado absorto. La energía ligera convierte P680 en un reductanto ligeramente fuerte que es capaz reducir una molécula del intermedio cerca -0.2 voltios. La naturaleza de esta molécula es desconocida. Pero puede ser un feofitin una molécula (la clorofila a menos que el átomo del magnesio). De allí el electrón viaja a través de varios portadores de la membrana, incluso el quinones, que los citocromo, y una proteína cobre-conteniendo llamados el plastocianin. El último dona los electrones a la foto sistema I. El electrón se acepta por la clorofila de centro de reacción de foto sistema I, P700 que ha absorbido los quanta ligeros previamente y ha donado los electrones al aceptador primario de foto sistema I. Este aceptador tiene un potencial muy negativo, cerca -0.75 voltios.
"Como en la foto sistema II, el aceptador primario de electrones de la foto sistema I no me he identificado positivamente, pero se piensa que es una forma radical libre de clorofila a. De todos modos, el aceptador en la foto sistema I, una vez reducido, está a un potencial de la reducción, suficientemente niegue, para reducir el ferredoxin de proteína de hierro-azufre que entonces reduce NADP+ a NADPH." Brock y Madigan (1991:570, 571).
¿ATP haciendo durante la fotosíntesis del oxigeno, cómo hace ese trabajo? ¿Cómo complejo eso es?
Prof. T. D. Brock y M. T. Madigan: "Además de la síntesis neta de reducir el poder (es decir, NADPH), otro ocurrir de eventos importante, mientras los electrones fluyen de un ecosistema a otro. Durante el traslado de un electrón del aceptador en la foto sistema II a la reacción centran la molécula de la clorofila en la foto sistema I, el transporte del electrón ocurre en un termodinámicamente favorable (negativo al positivo) la dirección. Esto genera una membrana potencial (una pendiente del protón) de que ATP puede producirse. Este tipo de generación de ATP se ha llamado el foto fosforilación del no-ciclico, porque el electrón viaja una ruta directa del agua a NADP+.
"Cuando el poder reduciendo suficiente está presente, ATP también puede producirse en el fototrofes del oxigeno por la foto fosforilación cíclico, mientras involucrando sólo foto sistema I. Esto ocurre, cuando el aceptador primario de foto sistema I, en lugar de reducir el ferredoxin (y de NADP+), ingresos el electrón a la molécula de P700 vía los citocromo del membrana-límite b y f. Este flujo crea una membrana potencial y síntesis de ATP adicional.
"Foto sistema que I e II funcionamos juntos normalmente en el proceso del oxigeno. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, muchas algas y algunas cianobacterias pueden llevar a cabo la foto fosforilación cíclico. Ellos usan sólo foto sistema entonces I, y obtiene reduciendo el poder de las fuentes, de otra manera que el agua. En el efecto, fotosíntesis anoxigenico, como haga púrpura y la bacteria verde. Esta alteración requiere la presencia de condiciones anaerobias, así como una sustancia reduciendo, como H2 o H2S. Bajo estas condiciones, los electrones para la reducción de CO2 no vienen del agua, pero de la sustancia reduciendo. En las algas H2 es generalmente el reductanto. Y después del periodo de adaptación a las condiciones anaerobias, él hidrogenase de la enzima es hecho y se usa para asimilar H2. Reduce NADP+ directamente a NADPH.
"Varias cianobacterias puede usar H2S como un donador del electrón para la fotosíntesis anoxigena. Cuando H2S se usa, se oxida al azufre elemental (S°). Y se depositan los gránulos de azufre fuera de las células, similar a aquellos, qué producto de bacteria de azufre verde. El cianobacteria filamentoso que el Oscillatora limnetica se ha encontrado en estanques salinos sulfato-ricos dónde lleva a cabo la fotosíntesis anoxigena, junto con el verde fotosintético y la bacteria purpúrea. Produce el azufre como un producto de la oxidación de sulfato. En las culturas de O. limnetica, flujo del electrón de la foto sistema II es inhibidos fuertemente por H2S. Esto requiere la fotosíntesis anoxigena, si el organismo es sobrevivir en su ambiente sulfato-rico." Brock y Madigan (1991:571, 572).
Los organismos, mientras usando la energía de luz, todavía tienen más pigmentos, además de aquellos, qué nosotros simplemente hemos estudiado. ¿- Cuáles?
Prof. T. D. Brock y M. T. Madigan: "Aunque un pigmento con una estructura del anillo como la clorofila o el bacterioclorofil es obligatorio para la fotosíntesis, los organismos del fototrofico tiene otros pigmentos. Ellos están envueltos, por lo menos indirectamente, en la captura de energía ligera. Los pigmentos del accesorio más extendidos son los carotenoides que casi se encuentran siempre en los organismos del fototrofos. Carotenoides son el agua los pigmentos insolubles, firmemente empotrado en la membrana... Carotenoides tienen el hidrocarburo largo encadena, con C-C alterno y C=C une, un arreglo que se llama un sistema de la atadura doble conjugado.
"Como una regla, los carotenoides son amarillos, rojos, o verdes en el color y absorben la luz en la región azul del espectro. Normalmente se asocian estrechamente Carotenoides con la clorofila en la membrana fotosintética. Y hay el mismo número cerca de carotenoido, como allí las moléculas de la clorofila son. Carotenoide no actúan directamente en las reacciones de la foto fosforilación, pero transfiere, por vía de la fluorescencia, alguna de la energía ligera que ellos capturan a la clorofila. Esto transfirió puede usarse la energía así en la foto fosforilación de la misma manera, como energía ligera que se ha capturado directamente por la clorofila.
"Las cianobacterias y las algas rojas contienen ficobiliproteína que son pigmentos adicionales que son rojos o azulan en el color. El pigmento rojo, el ficoeritrin llamado, absorbe la luz el más fuertemente a las longitudes de onda alrededor de 550 nm, considerando que el pigmento azul, el ficocianin, absorbe el más fuertemente a 620 a 640 nm. Los ficobiliproteína contienen que los tetrapirroles de la abrir-cadena llamados ficobilin que se acoplan a la proteína. Los ficobiliproteínas ocurren como los agregados de peso moleculares altos, los ficobilisomos llamados, que ellos se atan a las membranas fotosinseticas. Ellos se unen estrechamente al sistema clorofila-conteniendo que constituye el traslado de energía muy eficaz mientras acercándose 100 por ciento, del biliproteína a la clorofila." (1991:572, 573).
¿Por qué haga organismos que usan la energía de luz tienen los pigmentos extras? ¿Para qué ellos necesitan los?
Prof. T. D. Brock y M. T. Madigan: "La función de la luz-recolección de pigmentos adicionales parece ser de ventaja obvia al organismo. Encienda del sol es distribuído encima del rango visible entero. Todavía la clorofila absorbe bien en sólo una parte de este espectro. Teniendo los pigmentos adicionales, el organismo es capaz, capturar más de la luz disponible. Otra función de pigmentos adicionales, sobre todo del carotenoides, es como los agentes fotoprotectores. La luz luminosa puede ser a menudo dañosa a las células. Porque causa varias reacciones del fotooxidación que realmente pueden llevar a la destrucción de clorofila y del propio aparato fotosintético. Los pigmentos adicionales absorben mucha de esta luz dañosa, y así mantiene un escudo la clorofila luz-sensible. Desde que los organismos del fototrofico deben, por su misma naturaleza, viva en la luz, el papel fotoprotector de los pigmentos adicionales es de ventaja obvia." (1991:573).
Algunas bacterias usan la luz del sol como una fuente de energía. ¿Cómo tiene estas células, con sus sistemas de fotosíntesis, entrar en ser, hace unos 3.5-3.8 mil millones años? ¿Qué fue necesitado, pensarlos fuera y hacerlos?
¿Incluso el más pequeño bacteriano y la célula del arquea sabe más sobre la bioquímica, que cualquier científico hace, mientras manteniéndose en esta tierra ahora? Sabe, que hay protones y electrones. Y sabe, cómo usarlos. Sabe, que hay el sol, con su luz. Y sabe la longitud de sus ondas. Sabe y puede usar físicas quantum y matemática. Sabe, cómo hacer la materia orgánica de la materia inorgánica. Es capaz, hacerse, doblándose, dentro de unos minutos u horas. Ningún científico humano puede hacer una célula viviente con su maquinaria fotosintética. Se complica lejos también.
Él ni siquiera no es capaz, hacer una sola enzima funcional de esta criatura diminuta. La aserción que uno sólo necesidades las leyes de química y físicas, no explique nada. Ésa es sólo charla vacía. Esta declaración no es lógica y se contradice. Una ley siempre viene de un dar de derecho, de una persona inteligente. Y las leyes de química y físicas vienen del Creador, del Dios de la Biblia cuyo nombre es Jehová. Rey David tenía razón, cuando él dijo en Salmos 14:1a, según la Rey James Versión: "El necio ha dicho en su corazón, no hay ningún Dios."