Cómo la naturaleza divide el agua y suministra energía al planeta

12.08.2019

(c) MPICEC

El estudio muestra cómo se activa el complejo y cómo se produce la absorción controlada de agua del entorno de la proteína.

Un equipo de investigación internacional, que incluye el Instituto Max Planck para la Conversión de Energía Química (MPI CEC) en Mülheim y la Universidad Nacional Australiana (ANU), ha publicado nuevos resultados sobre la división del agua en fotosíntesis natural, un proceso de importancia fundamental para la vida en la Tierra. Los resultados obtenidos también son importantes para el desarrollo de combustibles solares libres de CO2.

La oxidación de dos moléculas de agua a oxígeno molecular por la luz solar es uno de los primeros pasos de la fotosíntesis de oxígeno, un proceso que tiene lugar en todas las plantas, algas y cianobacterias. La reacción es similar a la conversión de la luz en los sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, en lugar de electricidad, se producen aquí compuestos químicos ricos en energía, hidratos de carbono, que están disponibles para nosotros como alimento y en forma fósil como combustible (petróleo, gas, carbón). A través de la liberación de oxígeno, la fotosíntesis también ha creado nuestra atmósfera terrestre rica en oxígeno y la capa de ozono en la estratosfera, que nos protege de la dura radiación UV del sol.

Las investigaciones, dirigidas por el Dr. Nick Cox, ex jefe de grupo del departamento del Prof. Wolfgang Lubitz en el MPI CEC, se centraron en una enzima fotosintética que es responsable de la división biológica del agua. La reacción tiene lugar en lo que se conoce como Photosystem II, un grupo de metales compuesto por cuatro iones de manganeso y un ión calcio-metal.

Este complejo une dos moléculas de agua a los centros vecinos, que después de la oxidación y la liberación de protones forman y liberan una molécula de oxígeno. El estudio muestra cómo se activa este complejo y cómo se produce la absorción controlada de agua del entorno de la proteína.

"Nuestros resultados muestran que la enzima respira para absorber las moléculas de agua", dice Nick Cox. "A mitad del ciclo de reacción, la enzima comienza a estirarse como un acordeón, uniendo una molécula de agua al manganeso."

Es importante señalar que este movimiento no es posible en otros puntos del ciclo de reacción, lo que impide la absorción de agua. Esta es la base de la formación altamente específica de una molécula de oxígeno a partir de dos moléculas de agua.

"Sin la unión y conversión secuencial precisa de las dos moléculas de agua en el cúmulo de manganeso, el proceso llevaría a la formación de etapas intermedias de oxígeno ligeramente agresivas (las llamadas especies reactivas de oxígeno) que reaccionan con la proteína y la destruyen", dijo la Dra. Maria Chrysina de la MPI CEC.

Si la ciencia consigue imitar la división del agua en el laboratorio con la misma eficiencia que en la naturaleza, la humanidad tendría a su disposición una fuente inagotable de energía sostenible.

"La energía de la luz solar que cae sobre la superficie terrestre en una hora es suficiente para cubrir las necesidades energéticas actuales de toda la raza humana durante todo un año", dice el profesor Wolfgang Lubitz, director emérito del MPI CEC.

El desarrollo de una enzima artificial que divide el agua permitiría producir "combustibles solares", una alternativa ecológica a la gasolina, el gasóleo y el gas natural. Uno de estos combustibles solares sería el hidrógeno, por ejemplo, que quema CO2 sin emitir el gas de efecto invernadero. El hidrógeno procedente de la división del agua también podría utilizarse para la producción de otros productos químicos importantes, por ejemplo, para la síntesis de fertilizantes en la agricultura, que es esencial para el suministro de alimentos de la población mundial.

Las investigaciones se basan en una técnica espectroscópica (resonancia electromagnética, EPR), que se utiliza para la investigación de materiales magnéticos y también para centros metálicos en moléculas biológicas. Esta técnica proporciona información sobre la estructura electrónica de un centro catalítico, por ejemplo, una metalo-enzima a nivel molecular, como en la enzima de separación de agua de la fotosíntesis.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.

Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion

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