La clorofila tiene un $\ce{Mg^2+}$ ion. ¿Por qué se prefiere a otros iones? Por ejemplo, ¿qué ocurre si hay $\ce{Zn^2+}$ o $\ce{Ca^2+}$ o cualquier otro catión (divalente) en lugar de $\ce{Mg^2+}$ ?
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ghostly606
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La clorofila en las plantas tiene dos funciones principales. En primer lugar, facilita la transferencia de la energía de un fotón absorbido a través de las otras muchas clorofilas que constituyen el complejo pigmento-proteína de la antena hasta el centro de reacción. Esto significa que con $> 95~\%$ eficacia la energía de un solo fotón absorbido alcanza el centro de reacción que consiste en un dímero de moléculas de clorofila (el par especial), dos feofitinas ( $\ce{2H}$ sustituir $\ce{Mg}$ ) y otras dos clorofilas. La segunda función es la transferencia de electrones. La transferencia de electrones comienza desde el par especial excitado y el electrón pasa a otras moléculas cercanas de clorofila y feofitina y después a complejos de quinonas/hierro-azufre dependiendo del tipo particular de centro de reacción. La interacción excitónica entre las dos clorofilas del par especial permite tratarla como una entidad única. Esta interacción disminuye la energía de su estado excitado y atrapa así la energía procedente de la antena.
Es posible fabricar clorofilas con otros metales en lugar de magnesio, pero si éstos contienen metales pesados o paramagnéticos, apagarán competitivamente el estado excitado de la clorofila (mediante un acoplamiento espín-órbita o "efecto del átomo pesado") y reformarán el estado básico. En consecuencia, se producirá muy poca transferencia de energía, por no decir ninguna. Esto significa que no llegará suficiente energía al centro de reacción y que la eficacia de la fotosíntesis se reducirá drásticamente.
La clorofila magnésica tiene una propiedad única y es que los espectros de absorción y emisión se solapan excepcionalmente bien, lo que significa que la transferencia de energía a moléculas cercanas por el mecanismo de Forster (resonancia) es muy favorable. Como se muestra en la figura siguiente, la energía puede moverse entre $\approx 100\ \ce{Chl}$ y alcanza el centro de reacción en unos pocos ( $ < 10\ \mathrm{ps}$ ) picosegundos. Esto significa que la antena captadora de luz tiene un rendimiento de fluorescencia muy pobre, ya que la mayor parte de la energía absorbida llega al par especial, donde se apaga, antes de que una molécula haya tenido la oportunidad de emitir fluorescencia, porque el tiempo de vida de la fluorescencia de la Chl es de $\approx 5\ \mathrm{ns}$ . Cambiar el metal central cambiará los espectros de absorción y emisión, muy probablemente de manera que sean menos eficaces en la transferencia de energía, simplemente porque la clorofila de magnesio tiene casi la mejor superposición posible de los espectros de absorción y emisión de cualquier molécula.
El equilibrio energético de la transferencia de electrones es muy delicado. El electrón tiene que moverse desde el par especial excitado hasta el aceptor final (digamos una quinona) a través de los pasos $\ce{(Chl)_2^* -> Chl -> Phe -> Quinine }$ con la mayor eficiencia posible (todo el proceso dura sólo $\approx \pu{250ps}$ en las bacterias, y diez veces más rápido en las plantas), pero la velocidad de cada volver reacción en cada paso tiene que ser lo más baja posible. Otros metales en Chl cambiarán el redox e incluso un cambio de $0.1~\mathrm{V}$ será importante y, por tanto, hará que este proceso sea menos eficaz. La razón de esto es que en la fotosíntesis normal la transferencia de electrones está casi en el pico de la curva de la tasa de Marcus frente a la energía libre, por lo que aumentar o disminuir la exotermicidad hará que la transferencia de electrones sea menos eficiente.
Todo esto ilustra que la fotosíntesis está, a través de la selección natural, altamente adaptada, por lo que pequeños cambios pueden tener efectos dramáticos. En condiciones diferentes, es posible que esquemas alternativos hagan el mismo trabajo.
La figura muestra las clorofilas antena (captadoras de luz) en el complejo proteico del fotosistema 1 de la planta y el centro de reacción. (Los residuos proteínicos se han eliminado para mayor claridad). El centro de reacción se encuentra en el centro, dentro de la línea de puntos, y el par especial se muestra de canto. Los aceptores finales de electrones son $\ce{FeS}$ pero no se muestran y se situarían justo debajo del par especial. Las moléculas a ambos lados del par especial son las clorofilas accesorias a través de las cuales viaja el electrón del par especial. La estructura se ha modificado a partir de la entrada PDB 1JBO.
divya nagar
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51
Los iones de magnesio ajustan las propiedades electrónicas del anillo tetrapirrólico de la clorofila. ¿Por qué fallaría la delicada maquinaria fotosintética si se sustituyera el magnesio por iones de calcio o zinc?
Mi apuesta es que el magnesio ha sido seleccionado a lo largo de millones de años de evolución por su disponibilidad y solubilidad: es cinco veces más abundante que el calcio en el agua de mar. El zinc es mucho más escaso.
Tenga en cuenta que las plantas contienen cargas de clorofilas, para recoger todos los fotones que puedan.
Jon P
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5312
Así que esta historia tiene dos partes:
1) Si se sustituye el magnesio de la clorofila por algún otro metal, ésta puede dañar la planta
El sitio complejos clorofílico-metálicos pesados pueden causar una alteración de la función fotosintética y la función fotosintética y, como consecuencia final, pueden provocar la muerte de la planta.
aunque ese documento sólo examina in vivo sustitución. También concluyen que el cobre sustituye realmente al magnesio, mientras que el zinc puede que no:
Tanto el cobre como el zinc forman complejos con la clorofila, Mientras que el complejo Cu-Chl se forma predominantemente por sustitución de el átomo central de Mg de la clorofila ("complejo central") por cobre, el zinc está mucho más en la formación de un quelato cíclico periférico de 6 miembros ("complejo periférico"). periférico"), desempeñando un papel de coordinación entre dos átomos de O
2) Existen otros tetrapirrol compuestos que se unen a otros metales. Hemas unidas al hierro, corinas unidas al cobalto, etc. Clorofila-c en realidad tiene un anillo de porfirina, en lugar de un anillo de clorina.
Hay al menos un estudio de un mutante que tiene zinc-bacterioclorofila donde informan que:
Las mediciones espectroscópicas revelan que Zn-BChl también ocupa los sitios H que normalmente ocupa la bacteriofeofitina en el tipo silvestre, y al menos 1 de estas moléculas de Zn-BChl participa en la transferencia de electrones en Zn-RCs intactas con una eficiencia >95% de la RC de tipo silvestre.
Sin embargo, informan de que el mutante no crece, quizá porque no se forman suficientes de estas moléculas de Zn-BChl. Esta investigación procede del laboratorio de J. Thomas Beatty, y el último artículo está aquí - describen una estructura cristalina : http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=4n7k .
No conozco ninguna clorofila natural que no contenga magnesio.
danivovich
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Las otras respuestas han dado en algunos detalles clave, pero no han dado todos los detalles necesarios para responder adecuadamente a su pregunta, que es la siguiente funcional importancia de $\ce{Mg^2+}$ en clorofila. Me referiré a ello después de reiterar la importancia del tamaño de los iones para la unión.
Tamaño y estructura de los iones
Observando los datos presentados en la respuesta de MaxW, es bastante fácil ver que los dos únicos iones factibles son $\ce{Mg^2+}$ y $\ce{Zn^2+}$ en función de sus radios. Esto se debe a que el espacio entre los anillos de tetrapirrol es limitado para que quepa un ion.
Entonces, ¿por qué no zinc?
El zinc es bastante inerte porque tiene un $\ce{3d}$ y, por tanto, es probable que no se adhiera tan fuertemente o, al menos, tan fuertemente como $\ce{Mg^2+}$ por lo que esperaría que el magnesio compitiera con el zinc por el sitio de unión.
Importancia funcional de $\ce{Mg^2+}$
El punto que no se ha tratado aquí es el hecho de que la clorofila debe cumplir un propósito específico. Este propósito es absorber fotones y transferir esta energía a los fotosistemas que luego utilizan la energía en formas que realmente no conozco.
No obstante, cualquier ion presente en la clorofila debe tener un espectro de absorbancia que se acerque al espectro de radiación del sol, porque es la única luz con la que trabaja la planta.
En primer lugar, a continuación se muestra la curva de radiación de cuerpo negro del sol, es decir, la distribución de los colores de la luz que nos llegan a la Tierra.
(fuente: <a href="http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/imgmod/bbrc1b.gif" rel="nofollow noreferrer">gsu.edu </a>)
Notarás que tiene un pico cerca de la parte azulada del espectro, pero en realidad estamos recibiendo mucha luz visible del sol. Bien, veamos ahora el espectro de absorbancia de la clorofila. En realidad hay varios tipos de clorofila que difieren ligeramente en su estructura, pero las más comunes son la clorofila a y la clorofila b.
Se trata de un espectro in vitro que aprieta un poco los picos en comparación con in vivo pero los máximos son los mismos.
Como podemos ver, hay dos máximos de absorbancia para ambas formas de clorofila. Uno en la región azul de la luz y otro en la roja. Esto es ventajoso porque significa que para una sola estructura, absorbemos una gran parte de la luz enviada por el sol porque estamos tomando muestras de dos partes de la distribución del cuerpo negro.
Las dos estructuras también hacen un buen trabajo al no solaparse, pero siguen absorbiendo la luz visible.
Esta es otra razón por la que el magnesio está presente en lugar del zinc. Debido a que el zinc tiene un $\ce{3d}$ shell, tiende a formar complejos incoloros que serían bastante inútiles para transferir energía a los fotosistemas.
Además, esta es la razón por la que las personas que cultivan plantas en interiores suelen utilizar luz azul o luz roja únicamente cuando cultivan la planta.
MaxW
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1399
El concepto fundamental que parece faltarle es la comprensión de quelación . En la quelación una molécula tiene múltiples sitios que se unen a algún átomo, normalmente un catión metálico para formar un complejo de coordinación . Si el quelato puede formar un hueco 2D o 3D para el ion, entonces puede ser muy específico para un ion concreto, ya que la carga, el tamaño iónico y la simetría de coordinación están definidos. Así que lo esencial es que el "agujero" de la molécula de clorofila está "sintonizado" para $\ce{Mg^2+}$ .
$$\begin{array}{cc} \ce{M} & \text{Ionic radius of }\ce{M^2+}\text{ / pm} \\ \hline \ce{Mg} & 86 \\ \ce{Ca} & 114 \\ \ce{Sr} & 132 \\ \ce{Zn} & 88 \\ \ce{Cd} & 109 \end{array}$$
Los radios son de Wikipedia donde puede ordenar la tabla en los cationes +2.
Tenga en cuenta que en el clorofila molécula la grupo de la clorina participa en una reacción de oxidación-reducción para funcionar. Así que la clorofila funcionalidad de depende de algo más que la unión.
