Diferența dintre fotofosforilarea ciclică și non-ciclică

Majoritatea materialelor organice cerute de organisme sunt create din produsele fotosintezei. Fotosinteza implică conversia energiei luminoase în energie care poate fi utilizată de către celulă, în special energia chimică. În plante și alge, fotosinteza are loc într-o organelle numită cloroplast, care conține o membrană exterioară, o membrană interioară și o membrană tilacoidă (https://en.wikipedia.org/wiki/Chloroplast).

Fotosinteza poate fi împărțită în două părți principale: (1) reacțiile fotosintetice de transfer de electroni ("reacții ușoare") și (2) reacțiile de fixare a carbonului ("reacții întunecate"). "Reacțiile la lumină" implică electroni care energizează soarele în clorofila de pigment fotosintetic, care apoi călătoresc de-a lungul unui lanț de transport al electronilor în membrana thylakoidă, rezultând formarea de ATP și NADPH. "Reacțiile întunecate" implică producerea de compuși organici din CO2 folosind ATP și NADPH produse de "reacțiile ușoare" și nu vor mai fi discutate în acest articol.

Fotosinteza presupune utilizarea a două sisteme fotosensibile (sistem de fotografie I și sistem fotos II) pentru a valorifica energia luminii folosind electroni pentru a produce ATP și NADPH, care ulterior pot fi utilizate de către celulă ca energie chimică pentru a face compuși organici. Sistemele de fotografie sunt complexe mari de proteine ​​care se specializează în colectarea energiei luminoase și transformarea acesteia în energie chimică. Sistemele de fotografie constau din două părți: un complex de antene și un centru de reacție fotochimic. Complexul antenei este important în captarea energiei luminoase și transmiterea acelei energii către centrul de reacție fotochimic, care transformă apoi energia în formele utilizabile pentru celulă.

Mai întâi, lumina excită un electron într-o moleculă de clorofilă din complexul antenei. Aceasta implică un foton de lumină care determină un electron să se deplaseze către o orbită a energiei mai mari. Atunci când un electron dintr-o moleculă de clorofil este excitat, este instabil în energia orbitală superioară și energia este transferată rapid dintr-o moleculă de clorofilă în alta prin transfer de energie prin rezonanță până când ajunge la molecule de clorofilă într-o zonă cunoscută ca centrul de reacție fotochimic. De aici, electronii excitați sunt transmise unui lanț de acceptori de electroni. Energia luminoasă provoacă transferul de electroni de la un donor de electroni slab (având o afinitate puternică pentru electroni) către un donor puternic de electroni în forma sa redusă (care poartă un electron cu energie înaltă). Donatorii specifici de electroni utilizați de un anumit organism sau de un sistem fotosamblu pot varia și vor fi discutate mai jos pentru sistemele fotosisteme I și II în plante.

În plante, fotosinteza are ca rezultat producția de ATP și NADPH printr-un proces în două etape cunoscut sub numele de fotofosforilarea non-ciclică. Prima etapă a fotofosforilării non-ciclice implică fotosistemele II. Energiile de mare putere (cauzate de energia luminii) din moleculele de clorofilă din centrul de reacție al fotosistemei II sunt transferate la moleculele de chinonă (donori puternici de electroni). Sistemul Photosystem II utilizează apa ca un donator de electroni slab pentru a înlocui deficiențele de electroni cauzate de transferul de electroni de mare putere din moleculele de clorofilă în molecule de chinonă. Aceasta se realizează printr-o enzimă de separare a apei care permite îndepărtarea electronilor din moleculele de apă pentru a înlocui electronii transferați din molecula de clorofil. Când patru electroni sunt îndepărtați din două molecule de H2O (corespunzând la 4 fotoni), O2 este eliberat. Moleculele de chinonă reduse apoi trec electronii de mare putere într-o pompă protonică (H +) cunoscută sub denumirea de citocrom b6-f complex. Citocromul b6-f pompele complexe H + în spațiul thylakoid, creând un gradient de concentrație pe membrana thylakoid.

Acest gradient de proton conduce apoi sinteza ATP prin sinteza ATP enzimei (denumită și ATPază F0F1). ATP sintaza asigură un mijloc pentru ionii H + de a călători prin membrana thylakoidă, în josul gradientului lor de concentrație. Mișcarea ionilor H + în josul gradientului lor de concentrare conduce la formarea ATP din ADP și Pi (fosfat anorganic) prin sinteza ATP. Sinteza ATP se găsește în bacterii, arheale, plante, alge și celule animale și are un rol atât în ​​respirație cât și în fotosinteză (https://en.wikipedia.org/wiki/ATP_synthase).

Transferul final de electroni al fotosistemei II este transferul electronilor către o moleculă de clorofil cu deficit de electroni în centrul de reacție al fotosistemului I. Un electron excitat (cauzat de energia luminii) din molecula de clorofilă din centrul de reacție al fotosistemei I este transferat într- molecula numita ferredoxina. De acolo, electronul este transferat la NADP + pentru a crea NADPH.

Fotofosforilarea non-ciclică produce o moleculă de ATP și o moleculă de NADPH pe pereche de electroni; totuși fixarea carbonului necesită 1,5 molecule de ATP pe moleculă de NADPH. Pentru a aborda această problemă și pentru a produce mai multe molecule ATP, unele specii de plante utilizează un proces cunoscut sub numele de fotofosforilarea ciclică. Fotofosforilarea fotociclică implică numai sistemul fotosisteme I, nu sistemul fotos II, și nu formează NADPH sau O2. În fosforilarea ciclică, electronii cu energie înaltă din sistemul fotosisteme I sunt transferați la citocrom b6-f complex în loc să fie transferat în NADP +. Electronii pierd energie deoarece sunt trecuți prin citocrom b6-f complexul înapoi la clorofila fotosistemei I și H + este pompat prin membrana thylakoid ca rezultat. Aceasta crește concentrația de H + în spațiul thylakoid, care conduce producția de ATP prin sinteza ATP.

Nivelul fotofosforilării neciculare versus ciclic, care apare într-o celulă fotosintetică dată, este reglementată pe baza nevoilor celulei. În acest fel, celula poate controla cât de multă energie lumină convertește în puterea de reducere (alimentată de NADPH) și cât de mult este convertită în legături de fosfat de înaltă energie (ATP).