Como Producen Oxigeno Las Plantas

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  • 8/19/2019 Como Producen Oxigeno Las Plantas

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    Cómo producen oxígenolas plantas

    El mecanismo bioquímico denominado reloj oxidante del agua confiere a las plantas y a ciertas bacterias la capacidad de utilizar la energía solar pararomper las moléculas de agua en oxígeno molecular, protones y electrones

    Puesto qe el oxígeno moleclar

    es indspensabe para os sereshmanos es fácil olvdar que los

    organismos más senclos viveron sin

    él durante cenos de millones deaños. Para los prmitivos organismosanaeróbicos, el oxígeno era na ssancia óxica qe podía sustraer elecrones esenciales de los componentesmoleclares de ss céllas Incsopede parecer sorprendente qe mchas de aqellas céllas anaeróbicasdesarrollaran certo tipo de oosíntesis en asencia de oxgeno, yaque ésta es e proceso qe producetodo el oxígeno de la amósera Emecanismo preciso por el que se genera oxígeno en la foosíntesis estvoenveto en el misterio, aunque ahora

    lo conocemos ya con basante deaeSe trata de n "reloj oxdante deaga qe genera una molécula deoxígeno cada cuatro plsaciones

    Sin embargo, el obetvo principalde la otosntesis es acer posible quelas céas convieran el dióxido decarbono en carboidratos con la energía solar que absorben E eco deque la prodcción de oxígeno en sí no

    GOVINDJEE WIAM J. COLEMA han colaborado en estudios sobe el mecanismo de a producción eoxígeno por as pantas verdes. Gondjee acó en llahaad, Ina; reció sgado de doctor por la Uersiad deUrana en 96, actamente es pofeso de iofsca boogía egea en laniesda de Inos e Ubaa-Campaig ha escito mchos tabaos resones lbos soe fotosíntesis doctor Coleman es ecaro e a Fudacó acioal de a Cieca e nestigasore fotosíntesis acteiaa e e depatamento de química del Instito de Tecnooga de Massachsetts

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    Govindjee y Wilam J. Coleman

    sea esencia expica por qué las céllasanaeróbicas pdieron realizar otosíntesis en tiempos remotos sn desprender oxígeno molecular y por qé lo

    han seguido hacendo así hasa oyero si el oxígeno es tóxico, ¿porqé y cómo empearon as planasverdes y ss ancestros a prodcirlomediante la otosness? La respestaa a primera preguna radica en el meaboismo energético La vida en laTierra depende de la energía qe suministra la lz soar, pero las céllasno pueden emplear o almacenar laenergía lminosa directamente, sinoque tenen qe convertirla en energaquímica, más fácil de tiiar Loselectrones son "moneda de uso común en a conversión bológica de la

    energía: mchas de as reaccionesboenergétcas de las célas puedenexplicarse en términos de transerencia de elecrones enre moléculas.

    Por tanto las célas necesitan paravivir una fene de electrones Lasbacterias foosintéticas anoxigénicasoxidan es decir, extraen electronesde ácdos orgánicos y smples compuestos inorgáncos Estas ssancias son, sin embargo reativameneinfrecuenes n consecencia lasbacterias anoxgénicas qe an sobrevivido hasta oy se desarrolan

    solamente en uenes sulúreas, fondos lacsres y ambienes simiares,en los que abndan estos tipos de moléculas

    Hace unos res mil mllones de

    años algnas células fotosintéicas aprendieron a prosperar práctcamente en cualqer ipo de entornonaural, sacando elecrones de nassancia casi ubica: el agua (H20).stas céllas desarrollaron la aculadde disocar pares de moléculas deagua en electrones, proones H+, o

    núcleos de hidrógeno) y oxígeno moleclar '(0) Los electrones y proones resltaban energéicamente úiles; el oxígeno era simplemente n

    produco de desecho n resmen, eldesprendimiento de oxígeno sgniicón hito para los organismos otosntéicos, y no porque el 0 era importane en s mismo, sno porqe lascélas foosintéticas pdieron uliarel agua e invadir ambientes más dversos

    Mcho más complea es a pregnta sobre cómo las céllas prodcenoxígeno l desarrollo de a capacidad de ilizacón del aga comofente de electrones no ue cosa ácily exigió varias modicacones en elmecanismo foosintético preexisten

    e Pesto que las moéclas de aguasólo ceden elecrones a regañadienes, e oxidante -o molécula aceporade elecrones- relaivamente débilque las bacerias otosnéicas anoxigénicas eran capaces de generar aexpensas de a l solar abía de serrempazado por otro mcho más potene ero inclso as la energa den otón, o canto de lz, vsible noes suficiente para romper na molécla de agua l problema pudo resolverse aprovecando la energía decaro oones para escindir dos mo

    léculas de aga, liberándose en elproceso caro protones y caroeecrones ste mecansmo creó, sinembargo, ora dificultad, ya qe el

    l BURBUAS DE OXGENO e ls hojas deuna planta vere sumegida; es una señal de quese esá desarlln la fotosíe. El xeno

    (01) es un prdco e a eacón pmvdap la lz e la que se ema cuato elecones(e-) y cuato potnes H+ e caa pa de mléculas e aua Las bateras fotsncasnoécas, napace e escn as as mculas obteen ls elecones de tas fuene

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    aparato fotoquímico sólo pede manipula os electones e no en no.

    Las céllas foosintétcas esolveon dcho oblema a desarrola ncatalizao especia ara romper eagua, el denomnado reoj oxianeel agua: n mecanismo bioqmicoúnco de "tinquee aa establzarlos estados intermedios de la eacción de lsis el aga e manera que

    os electrones pdiean transfeirsee uno en uno En los ltmos años seha avanzao mucho en el conocimieno el eloj odane el aga y de sinervención en e proceso fotosintético globa

    En las lanas speioes as reac

    ciones pimaias de la fotosnesis tienen luga en las membanas tilacoidales esecialiaas inclias enel neio e los clooplastos nasestcas celulaes Embebdos endcas membanas ilacoiales se en-

    cuentan vaios complejos proteicos,cada no e los cales contibuye a laeacción fotosintética global La formación e 02 acontece otalmentedento el comlejo e potenas yigmenos que se conoce como foosisema I opio e as céuas e todos los oganismos foosintéicos oxigénicos: canobaceias algas y antas con cloofia

    La funcón pincipa el foosistema es la e actar como un pequeo conensao que amacena laenega medane a sepaación yla establización e cagas positvasy negativas a no y oto lao e lamembana tilacoial El poceso oealiza un conjunto e pigmentos especializaos de fotosistema queabsobe un fotón y conviete eficienemente su energa lminosa en naamplia sepaación e cagas

    La sncronación de movimientosen el compleo proceso de convesión

    e la energa lminosa en na sepaación de cargas equiee la colaboación e mcos poipéios yrotenas esecializados el fotosisema Los oléptios son pomerosneales de muchos esios de aminoácidos, a menuo e cientos eelos, dspuestos en na secencia deerminaa Las potenas están consiias o uno o más polipéptdos

    plegados en intincadas y odenaasestucturas.Las eaccones de ransferencia e

    eecrones en el foosisema se desaollan en el centro de reacciónLos inciaes componentes esrcturaes el centro e reaccón son dosolipéptidos de gan tamaño llamados Dl y D2, y na roena meno conocda po citocomo 559• Unios ala caa nena e la membana el tiacoide encontamos un olétiode 33 kioalon e peso moecar yal menos oros os de dferenes e

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    sos. Estos polpéptdos sie comomariz establizadoa de los pgmeos y otras molculas de foossema I que llevan a cabo las reacconesde anseeca de elecroes y poduccó de oxgeo Oos popépdosde pequeño amaño se asocan gualmente co el otosstema l, pero sus

     ucoes se descooce odavía Va-

    os oes ogácos y áomos cagados magaeso clouo calco,heo y bcabonao esá mplcados en la caálss de la aseecade electroes, en el maenmeno de la esrucua poeca o en la egulació de la acvdad del oossema

    Además, u ga númeo de mo

    léculas de cloola "antea captala eega lumosa y la canaa efceemene asa el ceno de eaccón, co el que se asoca vaosceos de molcuas de pgmentosaena

    l ser an complcada la esucuadel fotossema 1 la mayo pae delo que oy se cooce sobe el msmo

    OLETDO D OLO D

    2. FOTOSISTEM: complejo de pigme y proeas de a membraatacoida de los cloropasos que capa a energía umisa y prce oxí·geo. El ujo de eecrone a rav de foosisema (ara) se promuevecon la absrción de n fon por u par epecia de coros P60 Epoceso mplca muchas oas moéclas, como la feona Pheo y dpos de quon (QA> Q¡ así como áom meáicos e iones ae comomngaeo (M), coruro C- y clcio C+ E ese modelo simp-cado se h omido varias moéca de pgmeo e ara de a cadadLas reaccioes de foosisema e e lado ierior de membrana ex-raen caro eecroes de dos molas de aga y  bera a molcua de oxgeo; esa reacciones cosye e reoj oxde de aga Losproones lrados e esa reaccones coribye a a síess de adenosrifosfao E oosisema de as bacea aoxigénicas dch más sim·pe, carece de reoj oxdae de ga oros compesos disos del aguasminisran erones oosiema medane a proeía cocrmica

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    procede, de hecho de los estudiosrealzados sobre los correspodientescompleos de las baceias fotositéticas. El rabajo de Joa Deiseofer Rober Hber y Hamt Miche! quiees determinao a estructura del cetro foositétco dereacció de la bacea Rhodopseu-domonas virds, les meeció el premo Nobel de química de 1988.

    Hay muchas diferecias entre los

    complejos fotoséicos de lasbacteas y de las plantas vedesComo se ha mencionado ates lasbacterias no poducen oxgeno molecular; además esos microorganismosno utlizan clorofila sino bacteriocoofla pigmeo qe absorbe pcipalmente luz de logitudes de odamucho más argas y qe es u oxidate mucho más débil. Si embago, loscomplejos foosiéticos baceraoscatalizan a reacció clave que covierte la lz e un gadiete electro

    químico de protoes a tavés de lamembrana boógica [véase "Mecanismo molecular de la fotosesis,por Doglas C Youva y Bary LMars; INVESTGACÓ Y CAagosto de 1987]

    Sobre la base de estos estudios cobacterias se puede decir qe e mecanismo de transpoe de electroesdel centro de eacción de fotosistema U comprede cico compoees:e pieto clorola, qe aca comodoador primario de u electró;un doador secndario de elecoes

    deominado , que rduce la clorolaes deci qe resiye el electró quepierde la clorofila la feofiina, e pigmeo qe acepta un elecró de lacoofila; la plastoquiona OA uacepor primario de elecones y lapastoqinona Os u aceptor secudario de electoes

    Se cee qe el pigmeto clorofiladel cero de reacció esá constituido po u par especial de moléculasde clorofila qe auque paece sequmicamete idéticas a muchos delos pigmetos aena difiere e sufució Dcho pigmento se deomi

    a P680 porque absobe co más intensdad a uz de 680 aómeros delogid de onda

    E 1988, el trabajo de BidgeteA Bary y de Richard Debus dela Universidad esaa de Michiga yde Willem F. Vermaas y sus coaborador de la de Arizona coibyó aidefcar el facor como tirosiauo de los aminoácidos del polipéptido D La quioa O se ecueafuertemete uida al complejo del fotosistema II mienras qe a quinona Os pede difudi libremente en-

    tre los complejos poteicos de lamembrana despés de aceptar doselecoes (o, e térmios qímicos,de ser doblemete educida)

    Durate la fotosesis os pigmen

    tos aena absorbe u foó ycaaliza su eergía acia el P680 delcero de reacció e e que la eergía de exciació se raduce en ua se

    paració de cagas cuando P680 alcanza u esado excitado y rasiererápidamene un electró a una molécula vecia de feofitia [véase la f gura 3] La feofita posee, etoncesa caga egaiva e exceso, mieras que hay u agujero con cagaposiiva e P680 debido a la pédidadel elecó P680 queda comoP680+ La sepaació de cargas seace mayor cuado la feofitia cedesu electró exra a O y la distaciaaumeta aú más cuando Z doa uelectró a P680+, quedádose cocarga posiiva y O asiere su

    elecrón adcional a OsLa asferecia de carga opera con

    rapidez especialmete la trasferecia ical de u eectrón desde el estado exciado de P680 hasa la feofitia lo que ocre e una pocas billoésimas de segudo Esto fue demostado po uo de nosoos (Govindjee en colaboració co MichaelR Wasielewski y Douglas G. ohso del Laboratorio Naconal de Argone y Michael Seibert del Istituto de vestigació de nergía Solar de Golde, Coloado

    La trasfeencia secuencial de elecroes alcaza su obetivo al cosegui distaciar lo más posibe as cargas positivas y negaivas que seatrae mtuamete No obsante, eciclo fotositético del fotosisema o se completa hasa que odos loscompoetes del mecanismo de reacció recupera su estado euro iicia y se ecuetra e disposció deempeza a vez más el procesode separació de cagas ¿Cómo piede Os su carga egaiva y cómo ecupera el electrón perdido?

    e extremo del sisema e el que

    se ecuenra Os la respuesta es relaivamee secila Despés de queO ha atapado dos elecoes y dosprooes mediate dos ciclos de absorció de fotones la molécula de Odoblemete educida se difude aciauera del complejo de fotosisema y es sustitida por otra molécla deO oxidada Los elecoes y protones asociados a la molécula de Oqe posee absoluta lbertad de movimieto, son ransportados a otrocomplejo de la cadena fotostéticaLos potoes libeados en la cara

    iera de la membraa ilacodalterminaán por aprovcharse e la síntesis de adeosí-trifosfato n compeso de almacenamiento de eergíaesencial paa el metabolismo celula

    E el extremo opuesto de fotosistema I esuta mucho más diícil que obtega el electró ecesario pararecupear su esado icial E electrón debe procede de algua susan

    ca oxidable qe esé dispoible e elentono de la célula Los ácidos orgánicos (ales como aceao malato ysuccinao y los compuestos inorgáicos sencillos (ales como sulfro ytiosulfato) pueden ser bueas fuentesde electroes y de echo so las qeutilizan las baceias foosintéicasanoxigénicas; e esas bacterias, qecarecen de compueso , es ua proteína del citocomo el doador qesuministra elecroes al par especialde cloofilas oxidadas del ceto deeacció

    a molécula mucho más ab

    dante que os ácidos orgánicos y,por anto ua fuee de elecronespoencialmete más rica es el agua.Si embargo auque la capacidad deoxidació de P680+ es alta, no basapor sí sola para despojar de sus eecoes a la molécula de agua

    E problema es que la eacción deoxidació del agua ibea cuatro eectoes smultáeamente mientasque P680+ sóo puede acepar electroes de uno e uno En cosecuecia,los cietíficos vieo con claridadace uas décadas que debía exisir

    u siio catalítico ceca de y P680qe pudera pologar as la eaccióde oxidació Ese caalizado de alisis del agua a de ser capaz de asocia pares de moéculas de agua y estabiizaas duate un poceso gradual de oxidació e e que los electrones so asfedos de uo enuo Las vestigacioes sobre estemecaismo coduero al descubrimieto del eloj oidate del agua

    La observació de que no odos los

    elecoes alcanza a moléculade clorofila de P680+ a a msma ve

    locidad esuló decisiva para la compesió del fucioamieo de esemecaismo E realidad el iempoobsevado de asfeeca de eectroes vaa de maea peiódica;esto se demostró medae expemeos e os que las membaas colos cetos de eacció de foosistema II se maniene e la oscudad yse exponen a contació a bevespulsos de lz Cada deselo o sóloes de gra itesidad sio també lomás beve posible de tal forma queiroduce u soo foó, por érmo

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    medio, en el fotosistema. El resultadoobservado es qe P680+ recpea elelectrón e la oscuridad a velocidadesdiferetes dependiedo del úmerode plsos de uz

    Por ejemplo el tiempo necesario ·para que la miad de moléculas deP680+ revierta a P680 es de unos20 nanosegndos después del primer y quito deseos peo es muy superior despés del segdo tercero ycao El cambio e el tiempo de recuperación varía cícicamete cadacatro pusos Esta peiodicidad sgiere a existencia de a reacción cclica de cao etapas para donarelectrones al cento de reacció

    Tales esudios sobre el comporta

    mieno de P680 revisieron especial interés Piere Jolio del Istitto de Biología Fisicoquímica deParís abía demostrado con anterioridad, e 1969 que haba una periodicidad de cuatro en la podcción fo

    tosintética de oxígeno Utilizando aparato co u elecrodo de plainoaltamee sensible que respodía acantidades mínimas de Jolio midió la cantidad de oxgeo que se desprenda después de una seie de pulsos de luz Observó qe no abía despendimiento de después del primer pulso y nada (o my poco) después del segndo pero obtuvo unacantidad máxima as e eceo Aconinuación la amplitud de a señalde oscilaba con ua periodicidadde caro asta qe las dieenciasdisminían gradualmente

    Besse Kok de los laboatoiosMartin Marietta en Balimore sgirióen 970 a ipótesis secila para e-

    2O O

    OA OA

    H E

    FTN P680* P6soe

    z

    plicar los resultados de Joliot; propuesta qe se conoce como el reo ocico, de oidación del aga Kok propso qe el compeo podcto deoxgeo en el fotosistema II podíaexistir en vaios estados transitoriosde oxidación diferees: estados SAunqe no pudo deinir a nauralezaquímica de los esados S con precisió sgirió que cada esado S participaba na sola vez en n mecanismo cícico de cuatro eapas

    Kok predio qe e la oscuridadel eoj se hallaba e o de los dosestados S iiciales S o bien S Elestado predomiae y más estable)es S que tiee un eqivalente de oxidació más que S e oras palabras,el complejo de moléculas corespodiee a S tiene n elecó meosque el compleo S Se desconocela base química para el predominiode S

    Despés de u pulso lmiosoP680 pasa a P680 Debe termiar en

    na ase reducida con un electrónKok spuso qe el reloj debía sufriralgn cambio que lo impsaba al próximo y más alto, esado de oidació el eloj qe comienza e S pasaa S y el qe empieza en S pasa a SLa trasición tiene lugar al libearseun electrón de reloj y covetirP680+ e P680 U segundo destellocea otro P680+ e impulsa el estado Shacia e S3 y ercer puso de luzconviere el estado S en S A alcazar e esado S4 el eloj ha liberadocuatro electrones encontrádose dispuesto para completar la reacción de

    isis del agua El relo eimia entonces caro electrones de las dos molécas de aga que tea asociadas

    3O O

    O OA

    P6se 680

    ze

    TRASFERENCIA SECUENCIAL DE ELECTRONES del ceno de reaccó de fotosistema ;dicho proceso amacena pare de la energa lumiosa en forma de cargas positivas y negaivas s-paradas. Tras la absorcin de un fotn, el pigmeo P680 alcaza u estado excado y pasa a P680*1 El P680 cede n electró a la molécula de feona (eo) y se queda con un electrón meos,o sea con una carga posiva La carga negava de la feona pasa a ua molécua de quioapraa Q () ialmene, el P680+ acepta un elecrn de Z, amnoácdo de poipépdo Dy Q rasere su eecrn adcoal a Q oa molécula de qoa . La cadena de transferenciade eecroes vuelve a s estado orgnal cuado Z recibe un elecrn del reoj de odacó del aga,y la molécula de Q dolemene reducda es susiuida por ora molécula de quioa odada

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    despende y velve desde S a Sposibilitado a enada e un nevociclo

    Esta siuación puede compararse aa de u ugado de béisbol: el gador debe marcar secuenciamete lascuatro bases" hasta acabar dodeempezó Si el gador falla ua marcapuede verse forzado a retiarse deforma similar eise la posibilidad de

    que el eloj o pogrese regularmenede un estado al siguiete ede ocuir en unos pocos casos por eemploque S no cambie a S después de pulso luminoso debido a qe e oosistema no apovecó bie el otóTambién es baa a probabilidad deque un foosisema absoba dos fotoes durate u destelo si los pusos no so scientemete cortos yel eoj oxidane de aga avance eun solo paso de S a S3 va S

    E mecaismo de Kok expicó lasobservaciones de oio sobre el comportamieto del reloj producor de o

    geno Debido a qe la mayoría delos eojes e a muestra adapada ala oscridad se encentra e e estadoS el despendimiento máximo de iene luga despés del ercer plsode lz cando e relo cambia de S3a S y a S y libera espontáneameteoxígeo El reloj que empezó en elestado S libera as el cao deselo lo que explica que entonces sedé na pequea liberación de •

    Estos erores qe ocurren alazar cuado os pocos reloes allaen s avace drate un pulso de lzo cuando avanza dos estados S, ex

    pica a disminució grada de asosciaciones en el desprendimiento de Estos procesos acen perder etamene la sincronía de los ciclos delos eojes de a muestra Despuésde mcos pulsos de luz hay u eqilibrio tal que el nmero de reloes enlos estados S S¡ S y S llega a seaproimadamete igal, y la producción de oxígeno después de cada destello permanece estabe a situaciónes anáoga a la de una abiación llena de relojes de péndlo: de paidatodos pueden da sincrónicamente

    una fee campanada a la ora exacta peo a medida qe los relojesadelantan o atrasa la abitaciónempieza a resoar co un save ycontino cailló

    El descbrimiento de Joliot y Kok

    del reloj oxidante de aga vino asustituir la caa negra de prodcciónde oxígeno por evo mecanismoteórico. a teoría o epicaba, sinembargo la estctra física del eloji las ieracciones de ése con lasmoléculas de agua A parir de enton

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    ces empezó na larga búsqueda de lanatualeza qímica del acumuadode cargas en e reoj: el maeal o materiales cyos estados de oxidaciónvaiable dan ugar a cada uno de losesados S.

    Desde e principo se spuso qeesta ntidad química tan esquiva eran áomo meálico Los áomos demeales de tansición unidos a proeí

    nas tales como el manganeso e hieo y el cobre son buenos candidatospara cataizar las eacciones de oxidación-educción, gracias a su capacidad para da y aceptar elecrones alenativamene

    Se cee qe el manganeso (Mn) forma pae de la estrucra de acumado de cargas ya qe como se sabedesde hace tiempo la poducción de02 no tiene lga a no ser que hayacatro átomos de manganeso en el oosisema po cada moléca deP68 Se sabe qe el manganeso caaliza las eaccones de anserencia

    de electones en otras enzias Además pede adqi varios esados deoxidación elaivamene establesdesde + 2 a +7; es decir los iones demanganeso peden comparti enedos y siete electrones con otros áomos Cuando el metal se ne a na molécula de gan amaño como unapoteína estos estados de oxdaciónselen abeviase como Mn() Mn(I) y así scesivamene

    Las proteínas que contienen mea

    les se han anaizado en pron

    didad mediante diversas técnicas especoscópicas denominadas así poque agunos complejos meáicos absorben deeminados tipos de adiación electromagnétca S la absorciónse mide cidadosamente la determinación puede servi como una "huelladaciar especroscópica del metalasociado a la poteína y proporcionarpistas acerca de s estrcra nclearo electrónica a espectroscopía esla muy adecada para el estudo delos compestos de manganeso Mchos de os complejos de manganesode inteés biológico son paramag

    néticos: el átomo de manganesocontiene electrones con espines desapareados y estos electrones comosi ueran pequeñas baritas magnétcas o imanes interaccionan de manea intensa con os campos magnéticos externos aplcados

    Varias écnicas de medición altamene sensibes en paicular laespía de rsonancia paamagnética del electón (RPE) han apovechado las propiedades paramagnétcas de manganeso Medane RPEse han estudiado los cambos en a

    gw�wo 60az(

    x 40o

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    NUMERO D DTLLO

    . LA PCCI IG P BAA FICA expuesta a uasee de destellos oscla con ua riodcdad de cato, edo máxma tas el tecer estelo y denuevo cuatro destellos después, pero a amlud va graualmente dsmyeno conforme aumetel �úmeo de etelos. La aarcón de lo pco el amortguameto de a clacoe el grácosupeor se exlican meiate el ciclo e cuatro etapa de eomiao eloj oxante del aga

    conigración electrónica del compleo de manganeso que siguen a a absorción de luz por e otosistema Otra écnica que ha proporcionadoinomación ha sido la especoscopíade resonancia magnética nuclear(RMN) qe pemite medir de oma

    indirecta las popiedades de los áomos de manganeso egstrando osprotones de as moléculas de aguaqe están en contacto con elosA medados de os años setena Thomas J Wydrzynski entonces en laUniversidad de llinois en UbanaChampaign inoduo la utilizacióndel RMN en el estudio de os cambiosdinámicos que ocrren en e estadode oxdación del manganeso

    as técnicas de espectoscopía derayos X han conibido en benamedida al estudio de los esados deoxidación y del entono ísico de los

    átomos de manganeso en e otosistema l Otras nvestigaciones sobrela composición química de os esados S han empleado écnicas de espectroscopía óptica ya que os complejosde manganeso ienen bandas especícas de absorcón en la región ltravioleta del espectro electromagnétco

    Es necesaio señalar sin embargoque a pesar de la gan diversidad detécnicas especoscópicas disponiblesdos mportantes obstáculos dificutanconsideablemene el estudio de la

    membrana foosintétca Primero lacomplejidad de la membrana mchos de cuyos componentes tenen espectros de absorción que se solapanSegndo los datos obtenidos sobre elrelo oxidante del aga mediane análisis especroscópicos no pueden in

    terpretarse de oma concluyente yaqe ni la escta n la nauraleaqímica del compleo del foosistema 11 se conocen con exactid Enconsecuencia no se comprende todava de manera ajante la natraezaqímica de los dstintos estados S sibien ha sido posible desarrollar unmodelo povisional

    Esá claro qe los áomos de man

    ganeso suen cambios dinámicos vebigraca cambios en ss estados de oxidación drante las ansiciones entre los esados S Se ha ob

    servado na periodicidad·

    de cuaoen los cambios de los estados de oxidación del manganeso como habíasgeido e modeo de Kok Un halazgo sorprendente ue que Jos átomos de manganeso no se oxidan deforma pogesiva a lo argo del ciclo Mientras que el manganeso esá másoxidado en S2 que en S¡ y en S1 másqe en S no hay cambio apreciableen s estado de oxidación ente 2 yS3 Parece po anto que a carga positiva que adqiee e relo drante stansición de 2 a debe acmlase

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    S. RELOJ ODATE DEL AGUA  mecanis mo ccico que propociona electrones a las cooas P68  de cetro e eacció e fotosisema Caa vez ue el pigmeto P68 absorbeun fot e reloj avaza u estado o estadoe oxac y, o tanto iea u eectrn(e-). Cao e reo acanza e estao S4, lieraespotáneamente ua moécua e oxígeo (02)y vueve a estao S0 cerao e ese moo e cco

    en otro componete del sistema dstino de los áomos de mangaeso.Uno de osoros (Govidjee) junocon Subhash Padhye, Takesh Kambara y David N Hedrickson de laUniversidad de llinois en UrbanaCampaign, propuso en 1986 qe elaminoácido histidia de una de lasproteías del reloj podría almacenartal vez una carga positiva

    Los rabaos de Melvin P Kei,Kenet Sauer y sus colaoradores,de la Unversdad de California eBerkeley y de Robe R Sap y sscolegas, de la de Michiga en AnAror han contribudo a defiir conmayor precisió los estados de oxdación de algunos de los áomos demanganeso De forma aproximadaS0 se ha idenificado con la preseciade Mn() S con la de Mn(I) y S2con a de M(IV) Tano M()como M(I) parecen ser esables yde larga dración e el foosistema ;estas obsevacioes corrobora lapredicción de Kok, en virud de lo

    cal los estados S0 y S sería esabes Por conra e estado Mn(V)asociado con S es u inermediarioastane efímero Las prueas recietes obtenidas en e laboraorio deHorst T Wit, de la niversidad Técnica de Berlí Oeste indican qe unio Mn() se transforma en Mn(I)durate la trasición S-S Las únicastransformaciones observadas duranelas sguientes transiciones so las deMn() a M(IV)

    Los esudios de RPE a baja temperatra llevados a cabo por G Car

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    les Dismukes y Yona Siderer, de aiversidad de Princeton, sugiereque los estados S y S3 mplica complejos mtncleares con al meoscuatro átomos de mangaeso Así, elestado S podía ser n grpo de vaencias mixas compuesto por u áomo de Mn(I) y oro de Mn(V) opor tres áomos de M(I) y uo deMn(V)

    E resme, los cambios dinámicosde los estados de oxidación de los átomos de magaeso ndos al otosistema se correspode indudablemente con cambios en los esados Sdel reloj de Kok Cál sea la configuración química y electrónica precisa de estos esados sgue siedo oeto de estudo

    Varios expeimentos han ndicadoqe es probable que el mangaeso nose na drectamene a ninguno de lospequeños poipépidos del complejodel foosisema 11 o que sugiere qelos grandes polipépidos D y D

    son los siios más problables de uióndel manganeso ecientemente emospropuesto que pueden existir carosiios de unió del mangaeso con lospolipéptidos D y D en la cara interna de la membrana tlacoda perooros invesigadores han sugerido queel manganeso se fia e la zoa deuión entre os polipépidos D, D yel de 33 klodato

    Los estudios de espectroscopía derayos X realizados por Klei Sauery sus colaboradores e Berkeley ypor Graham N George y RogerC Prince, en el Cetro de nvestgacó Exxon e Annadae an revelado algnos detalles sobre la disposición de los átomos de mangaesoEn el estado S¡ dos de los áomos parecen formar pare de un compleo binuclear; está separados etre sí sólo7 angsrom (Un agstrom es adiezmlloésima parte de u milímetro) El oro par de áomos de manganeso esá separado por una distacia mayor Podíamos asociar los átomos a los catro vérices de un trapezode

    Gracas a estos esudios, se cooceaora mucho mejor el modo e

    qe los áomos de manganeso podrían caalzar la eliminación de electrones del agua para redcir P68+Los eectroes sin embargo o solos icos protagonisas de uestraistoria: la reacción de rotra deagua produce ambié caro protones ¿Se liberan los cuatro protones aa vez, simultáneamene con e despredimieto de oxgeno o se ierande manera secuencia jto con loselecrones?

    Esta cuestión a sdo resuelta medane detalladas mediciones de liberación de proones en respuesta a aserie de destellos lminosos Debidoa qe los proones aumena la acidezdel líquido circundate a cronologíade lberació de proones se puedeaordar co electrodos y ssaciascolorantes muy senses a la acidezC Frederick Fowler, de Martn Ma

    rietta y poco después, Satam Sapon y Anthony R Cros, entoncesen la Uiversidad de Bristo, descubrieron que los cuatro protones se liberaban en secuencia: uno drate larasición S0S, ninguno durantea S-S no durane la SS y dos durane la transición SS4S

    Estos hallazgos tenen imporatesimplicacioes para el mecanismo delreloj oxidane del agua anque su inerpreación depende de qe los proones liberados provengan direcamete de las moléculas de aga o dealga otra fete como los polpép

    tidos que unen los áomos de mangaeso Si los protoes proceden delaga, las moléculas de ésta deben sir ciertos cambios químicos ates dellegar al estado S4• Por cotra si losproones liberados e secuencia proceden directamene de los polipéptidos (y se sstituyen luego por protoes de las molécuas de aga) laoxidació de aga no debe ocurrirhasta la transición final S4S0 gnoramos odavía el orgen inmediato delos protoes

    Con idepedencia de la fuente de

    proones parece probale quelos estados S superiores (e pariclarS) acmule algna carga neta posiiva Es posile, por tano, que seanecesario io cargado negatvamene para estabilizar esa carga posiiva lo que explicaría la osevacióde qe oes como el clorro seanesenciaes para manener en fnconamento el relo oxdate del agua.Seikchi Izawa de la Uiversidad estata de Wayne en Detroit ue uno delos pimeros e demosrar qe los iones cloruro pueden poner en marca

    el reoj oxidane del aguaEn 8 en coaboración con erbert S Gutowsky y sus colegas de aUniversidad de llinois e UrbaaChampaign empezamos a apicar lastécicas de RMN al aálisis de lauión de los ioes cloruro a las memranas fotosinéicas n esudiosateriores Ion C. Baian CristaCricley y uo de nosotros (Govindjee) observamos qe los oes clorurose asociaan y disociaban lire y rápidamente de membranas aisladas decoroplasos Esos resultados nos lle

  • 8/19/2019 Como Producen Oxigeno Las Plantas

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    varon a especular en 1983 sobr la posibe rlación ente la nión d un ioncloruro cargado ngaivamen y lallegada una carga posiva seP68ü+ al loj oxiane el agua, y lavrosímil coincidencia enre la lbeación del ion clouo y la braciónde proones.

    Los exprimnos d RMN ali zados por Christophr Preston y J.

    Pac, d la Universidad Naconal dAusralia en Canberra, sugiironque los iones clorro s unían másfueremnt n los saos s2 y s3 queen los stados S0 y S Est rsladocoincid, n pincipio con a mayorcarga posiiva de los stados S supeioes Los aos especroscopade rayos X onios po Klein indican qu l clouo no se un dicamnte a os áomos d manganso enlos esaos S inicials

    Pt H Homann y sus colgas, d

    la niversidad estata e Florida

    han sgeido qe el cloro pobablmene se une a aminoácidos dotadosde caga positiva las proteínas delreloj En colaboración con Gutowskyhmos suiao la unión e clorron compleos del foosisema I spinaca Nesros rsultados indicanqe varios ions clouo s unen a elo y parcn disribuirse ene dos sitios principals e unión: uno crcadl manganeso quiás n los polipéptios Dl y D, y l oto en l polipépio d 33 kiloalon

    Esos exprimnos sugien qe lafnción d los ions cloro en el elo oxidan aga podra ser la dfaciliar la lberación de los poonsdl agua Con ello os ons cloruroamenarían l rnimnto e asreacions oxidación del aga estailiarían os ones manganeso cagados n los estados S spriors oamas cosas E papl del cloruroanqe odavía ojto d contovsia podría se l d oganiza las proeínas l foossema 11 en na srucura esable

    Oro ion el cacio (Ca2), s sncial tano para la oxiación e aga

    como para la opación del cenro deeacción dl fotosistema II, y su nción parc halase ambién srchamn lgada a la dl cloro Losxprimenos e varios laboraoriossugieren que los ions calcio pueenremplaza en s función a os e lospolipépidos la pate nferio elfotosistma II implicados en la poducción d oxígeno molcular S haosrvado, asmismo, qu a iminación e los ions de calcio pareceboquear no sólo l rciclae del relooxidant aga (impidiendo la

    ansición STS4-S0) sino amién larducción rápida d P68 a P68

    Pac pobable por anto qe lcacio enga na función esucural oregladoa del foosisma II S hademosrado qu l calcio dsmpñaun impotan pap n l conrol euna amplia varieda e poeínas enoros sisemas biológicos acva y dsactiva las poeínas y mantin su es

    trctra ridimnsiona Quizás en elfoosisema 1 los iones de calcio sitúen a los polipépidos l rloj oxdan dl agua n a conformaciónfncional aecada

    El complo mcanismo produco

    de oxígno duane la fotosínesis rprsna sólo una pquea patedl pocso compleo que esarrollanlos oganismos foosntéicos oxigéncos Aunque los aspecos gnralsson simiaes en odas las spcis fotosinéticas en el curso de la evolución s han o produciendo difeen

    cas significaivasLa mayora de los análisis indicaqe las diferencias nr l fotosistma II e las cianoactas y l d lasplantas son avamne pequeñas,lo qu sugie que las cianobaceiasson anepasaos de las plantas o, ncalquer caso esán srchamnmparntadas Las difncias nrel cnro de racción las cianoacias y el mchas oras baceriasfoosintéicas son asante más ponnciadas, lo que indica una claa divergenca en la ruta volutiva Lainvesigación continuada d los foossmas mdian gnéica mocular spctoscopía y cisalografía de ayos X pefeccionará obviamene nuesros conocimienos soba evoución de la via

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