Können Pflanzen nachts (ohne Licht) Sauerstoff produzieren?

Kurze Antwort: Jede Pflanze kann nachts Sauerstoff produzieren, aber Pflanzen können ohne Licht keinen Sauerstoff produzieren.

Längere Antwort: Es kommt auf die Spontaneität einer Reaktion an, dh ob eine Reaktion ohne Energiezufuhr ablaufen kann oder nicht.

Bevor wir über Spontaneität sprechen, ist es meiner Meinung nach besser, zuerst etwas über den Prozess zu erfahren, über den wir hier sprechen. Bei der Photosynthese findet die Wasserspaltungsreaktion im Sauerstoff entwickelnden Komplex durch einen Prozess statt, der als Joliot-Kok-Zyklus (oder einfach Kok-Zyklus) ¹ bekannt ist . Obwohl der vollständige Mechanismus dieses Prozesses noch nicht verstanden ist, kann die grundlegende Reaktion in einem Diagramm als ^{2 dargestellt werden :}

( Beachten Sie, dass im Diagramm die benötigte Zeit in Mikrosekunden und sogar Nanosekunden angegeben ist. Auf molekularer Ebene dauert die Sauerstoffentwicklung also keine Minuten oder sogar Sekunden! In größerem Maßstab kann die Freisetzung von Sauerstoff jedoch seit der Bildung länger dauern Sauerstoff muss viele Flüssigkeiten passieren, wie Thylakoidmembran, Stroma, Chloroplastenmembran, Zytoplasma usw., bevor er schließlich in die Atmosphäre gelangt )

Um zu wissen, wo die Photonen benötigt werden (da das obige Diagramm nicht darüber spricht), lasse ich ein weiteres Diagramm ein, das die Schritte enthält, an denen Photonen hereinkommen (wie von Rutherford et al ., 1989 dargestellt ):

Wie Sie sehen können, erhält der Kok-Zyklus keine direkte Energiezufuhr durch Photonen. Vielmehr ist es das hochenergetische P ₆₈₀ + , das ein redoxaktives Tyrosin (Y _Z ) oxidiert, das die Reaktion vorantreibt (der eigentliche Prozess ist viel komplexer, siehe eine andere Antwort oder Halverson et al ., 2003 für Details).

Wenn wir nun über die Spontaneität dieser Reaktion sprechen, ist die Oxidation von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff ein endothermer Prozess, dh er ist von Natur aus nicht spontan. Tatsächlich benötigt der Prozess 475 kJ/mol Energie für seinen Ablauf ( Wikipedia ). Diese Energiebarriere ist so groß, dass auch im Kok-Zyklus 4 Photonen benötigt werden, um die Oxidation von 1 Wassermolekül herbeizuführen (im Allgemeinen werden Katalysatoren verwendet, damit sie die Energiebarriere einer nicht spontanen Reaktion senken, damit sie stattfinden kann unter normalen Bedingungen durchgeführt). Nilsson et al. , 1857, spricht über freie Energieänderung ($\Delta G_0$) des Zyklus. Siehe die Grafik für die Änderung der freien Energie:

Wie aus der Grafik deutlich ersichtlich ist, wird eine höhere Energiemenge benötigt, um Wasser zu oxidieren ($E_P^+, S_2 \rightarrow S_3$) und noch höher für die Freisetzung von Disauerstoff aus dem Komplex ($S_4 \rightarrow S_0$) (obwohl die Änderung der freien Energie für den letzten Schritt negativ ist, dh die Freisetzung von Sauerstoff erfolgt spontan, ist die Gesamtenergie immer noch größer als die bei S ₃ ). Da die Reaktion also eine Gesamtenergiezufuhr erfordert, können Pflanzen ohne Licht keinen Sauerstoff produzieren . Wie Sie bereits vermuten, ist der Punkt hier auch der Lichtreichtum aus künstlichen Quellen, der einige Pflanzen in die Lage versetzt, nachts Sauerstoff zu produzieren.

BONUS: Ich werde einige Details über die Thermodynamik des Systems hinzufügen (überspringen Sie diesen Teil, wenn Sie nicht an Mathematik interessiert sind). Die grundlegenden Gleichungen, die ich hier verwenden werde, sind die Gibbs Fundamental Equation ($\Delta G = \Delta H - T\Delta S$), Arrhenius-Gleichung ($k = A \times e^{-E_a/RT}$) und Eyring-Gleichung ($k = k_BT/h \times e^{-\Delta G^\ddagger/RT}$) und die verwendeten Daten stammen von Nilsson et al , 1857 .

Aus$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$, um eine spontane Reaktion hervorzurufen ($\Delta G < 0$), entweder sollte Wärme freigesetzt werden ($\Delta H < 0$) oder Entropiezunahme ($\Delta S > 0$). Wie wir heute wissen, ist die Reaktion endotherm, dh es findet Wärmeaufnahme statt. Es muss also eine Erhöhung der Gesamtentropie stattfinden, um die Reaktion voranzutreiben. Wenn Sie sich den Graphen für die Änderung der freien Energie in verschiedenen Reaktionsschritten ansehen, sieht das so aus:

In diesem,$\Delta G_0$ist die Gesamtenergieänderung,$\Delta G_{in}$ist der erforderliche Energieeintrag (gegeben durch Photonen),$\Delta G_{ex}$ist die endgültige freie Energieänderung und$\Delta G^\ddagger$ist die Aktivierungsenergie von Gibbs. Hier,$\Delta G_{ex}$(in blau dargestellt) entspricht nur der Entropieänderung, wenn Endprodukte (Sauerstoff und Protonen) aus dem System freigesetzt werden, da hier keine Enthalpieänderung stattfindet.

In der Freisetzungszwischenstufe der Stoffmengenanteil$x = 1$für Sauerstoff, während im dissoziierten Produktstadium der Molenbruch für Wasser$x_1 = 56 /( [O_2]_0 + 56)$und für Sauerstoff$x_2 = [O_2]_0 / ([O_2]_0 + 56)$(unter der Annahme einer Molarität von Wasser = 56 M), da im Endstadium Wasser oder Sauerstoff oder beide an das aktive Zentrum gebunden bleiben können.

Zur Freisetzung von Sauerstoff:$[O_2]_0 = 273~\mu M$und$T = 298~K$

was gibt$\Delta G_1 = -~T\Delta S_1 = -~314~meV$

Für die Freisetzung von Protonen:$\Delta G_2 = -~T\Delta S_2 = -~516~meV$(da es keine Enthalpieänderung gibt,$\Delta H$wird vernachlässigt)

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

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

Seit$\Delta G_{ex} > \Delta G_0$deshalb$\Delta G_{in} > 0$dh es wird Energie zugeführt.

Nun zur Reaktion$~~P_{680}Y_Z^{ox}M_3 \rightarrow P_{680}Y_ZM_0 + O_2$(für die wir das obige Diagramm erstellt haben)

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

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

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

Verwenden der Eyring-Gleichung$k = k_BT/h \times e^{-\Delta G^\ddagger /RT}$

Wir bekommen$\Delta G^\ddagger = -~580~meV$

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

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

Beim Lösen,$\Delta G_0 \leq -~250~meV$

Auch hier erhalten wir aus der Eyring-Gleichung$k \geq 10^4~s^{-1}$

Die große Geschwindigkeitskonstante zeigt, dass es eine starke treibende Kraft für die Freisetzung von Sauerstoff aus dem System gibt, was sehr wahrscheinlich auf eine erhöhte Entropie des Endprodukts zurückzuführen ist.

Somit senkt das Enzym die freie Energie der Reaktion, jedoch auf Kosten einer erhöhten Aktivierungsenergiebarriere. Um auf den Hauptpunkt zurückzukommen, da dem System für die Reaktion Energie zugeführt wird, ist die Reaktion nicht spontan. Der letzte Schritt der Reaktion ist jedoch spontan (wie auch im ersten Diagramm zu sehen), da die Translations- und Rotationsentropie der Endprodukte bei ihrer Freisetzung zunimmt (in den obigen Berechnungen haben wir die Rotationsentropie wegen fehlender Daten vernachlässigt). Außerdem galten die obigen Berechnungen nur für den letzten Reaktionsschritt ($S_4 \rightarrow S_0$), um seine Spontaneität zu zeigen. In allen anderen Schritten muss dem System Energie zugeführt werden, um die Reaktion voranzutreiben (wie im ersten und zweiten Diagramm oben gezeigt), wodurch die Gesamtreaktion endergonisch wird. Ich hoffe das hilft jetzt.

Verweise:

_{1. Wikipedia-Mitwirkende. "Sauerstoff entwickelnder Komplex." Wikipedia, die freie Enzyklopädie. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 1. Januar 2017. Web. 18. April 2017.}

_{2. Sauerstoffentwicklung – 1996, Antony Crofts, Universität von Illinois in Urbana-Champaign}

_{3. AW Rutherford, Photosystem II, das wasserspaltende Enzym, Trends in Biochemical Sciences, Band 14, Ausgabe 6, 1989, Seiten 227-232, ISSN 0968-0004, http://dx.doi.org/10.1016/0968 -0004(89)90032-7.}

_{4. Halverson, Kelly M. und Bridgette A. Barry. "Beweise für spontane strukturelle Veränderungen in einem dunkelangepassten Zustand des Photosystems II." Biophysical Journal 85.4 (2003): 2581–2588. Drucken.}

_{5. Wikipedia-Mitwirkende. "Heterogene Wasseroxidation." Wikipedia, die freie Enzyklopädie. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 18. April 2017. Web. 18. April 2017.}

_{6. Håkan Nilsson, Laurent Cournac, Fabrice Rappaport, Johannes Messinger, Jérôme Lavergne, Schätzung der treibenden Kraft für die Disauerstoffbildung bei der Photosynthese, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, Band 1857, Ausgabe 1, Januar 2016, Seiten 23- 33, ISSN 0005-2728, http://doi.org/10.1016/j.bbabio.2015.09.011.}