FACULTAD DE QUÍMICADEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA

CURSO DE BIOQUÍMICA(CLAVE 1508)

Licenciaturas de QFB y QA

Prof. Laura Carmona SalazarGrupos: 05 y 10 Semestre: 10-I

Este material es exclusivamente para uso educativo y no de lucro

FOTOFOSFORILACIÓN

a) Reacciones de transferencia de electrones en los cloroplastos

b) Síntesis de ATP

IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LOS ORGANISMOSFOTOSINTÉTICOS:

Células fotosintéticas

ATP, NADPH CARBOHIDRATOS + O2

Células heterótrofas

CO2 + H2O + ATP

LA FOTOSÍNTESIS SUCEDE EN UNA DIVERSIDAD DEBACTERIAS, ALGAS Y EN PLANTAS

FOTOSÍNTESIS:

A) FASE LUMINOSA

B) FASE DE ASIMILACIÓN DEL CARBONO

FOTOFOSFORILACIÓN

6H2O + 6CO

2----------> C

6H12O6+ 6O

2

OXIDACIÓN REDUCCIÓN

Agente reductor oxidante

TRANSFERENCIA DE ELECTRONES

FLUJO DE PROTONES = FUERZA PROTÓN-MOTRIZ

SÍNTESIS DE ATP

FOSFORILACIÓN FOTOFOSFORILACIÓNOXIDATIVA

LUGAR: MITOCONDRIA CLOROPLASTO

MEMBRANAEXTERNA

MEMBRANAINTERNA

LAMELA DELESTROMA

ESTROMA

GRANA (Saco de tilacoides)

TILACOIDE

ESPACIOINTERMEM-BRANAL

ESTRUCTURA DEL CLOROPLASTO

Grana Estroma

MEMBRANA TILACOIDAL:10% fosfolípidos80% mono- o digalactosilDiacilgliceroles10% sulfoquinovosil diacilglicerolAlta insaturación: fluidez

FOTOFOSFORILACIÓNReacciones luminosas

ESTROMAReacciones

independientes deluz

DADORELECTRÓNICO: NADH (E’o -0.320 V) H2O (E’o 0.816 V)

TRANSFERENCIA DE ELECTRONES

FLUJO DE PROTONES = FUERZA PROTÓN-MOTRIZ

SÍNTESIS DE ATP

FOSFORILACIÓN FOTOFOSFORILACIÓNOXIDATIVA

LUGAR: MITOCONDRIA CLOROPLASTO

LA FOTOFOSFORILACIÓN SE LLEVA A CABO EN LOSCLOROPLASTOS, DONDE EL FLUJO DE ELECTRONESSE DA A TRAVÉS DE UNA SERIE DE TRANSPORTADORESDE ELECTRONES LIGADOS A MEMBRANA

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Es energía emitida en forma de onda de naturalezaelectromagnética (fotones)

FOTÓN.- Tiene propiedades ondulatorias y de partícula(Teoría de la dualidad onda-partícula)

La energía de un mol de fotones de luz visible es 170 a 300 kJ

Ecuación de Planck E=hv

donde h es la constante de Planck y v es la frecuencia

A MAYOR FRECUENCIA MAYOR ENERGÍA

Rayos gammaRayos

XUV Infra-

rojoMicroondas Ondas de radio

TIPO DERADIACIÓN

Longitud de onda

LUZ VISIBLE

Violeta Azul Verde Naranja RojoAmarillo

Longitud de onda(nm)

A MENOR LONGITUD DE ONDA MAYOR ENERGÍA

Fotón

CROMÓFORO

CROMÓFORO ESTADO EXCITADO

ESTADO BASAL

DURANTE EL DECAIMIENTOLIBERACIÓN DE LA

ENERGÍA

LUZ, CALOR OPARA TRABAJO

QUÍMICO

FLUORESCENCIA (LUZ)MENOR ENERGÍA (λλλλ MAYOR)

TRANSFERENCIA DIRECTA DE LA ENERGÍA DEEXCITACIÓN A OTRA MOLÉCULA

EXCITÓN

CROMÓFORO

LAS CLOROFILAS ABSORBEN ENERGÍA LUMINOSAPARA LA FOTOSÍNTESIS

Cadena lateral de fitol

CHO Clorofila b

Clorofila a

Basal

Excitado

Son pigmentos verdesEstructuras policíclicas planas Mg2+

Sistemas altamente conjugadosAsociados a proteínasLocalización membranal

ADICIONALMENTE EXISTEN PIGMENTOS ACCESORIOS

ββββ-Caroteno

Luteína (xantofila)

LOS SISTEMAS DE CAPTACIÓN ESTÁN ASOCIADOS A PROTEÍNAS DE UNIÓN ESPECÍFICAS

COMPLEJOS DE CAPTACIÓN DE LUZ

Segmento αααα-helicoical

7 clorofilas a

5 clorofilas b

2 luteínas

MONÓMERO, LA UNIDADFUNCIONAL ES UN TRIMERO

ESTROMA

LUMEN TILACOIDAL

MEMBRANA TILACOIDAL(MEMBRANA INTERNA)

FOTOSISTEMAS

MOLÉCULASCAPTADORAS

Clorofilas ANTENA

CLOROFILASPIGMENTOS ACCESORIOLUZ

CENTRO DE REACCIÓN FOTOQUÍMICOENERGÍA LUMINOSA EN ENERGÍA QUÍMICA

LA ABSORCIÓN DE UN FOTÓN EXCITA MOLÉCULASDE CLOROFILA Y PIGMENTOS ACCESORIOS CUYOOBJETIVO ES CANALIZAR LA ENERGÍA HACÍA LOS

CENTROS DE REACCIÓN

¿CÓMO SE TRANSFORMA LA ENERGÍA LUMINOSAEN ENERGÍA QUÍMICA?

*

**

*

***

*

**

*

***

*

ACEPTORELECTRÓNICO

DONADORELECTRÓNICO

MOLECULACAPTADORA

EN SU ESTADO BASAL

-

+-

+

DONADORELECTRÓNICO

1) LA FOTOEXCITACIÓN PROVOCAUNA SEPARACIÓN DE CARGAS

2) SE PRODUCEN DOS ESPECIES:UN BUEN DADOR ELECTRÓNICO UN BUEN ACEPTOR ELECTRÓNICO

CENTROS DE REACCIÓN EN PLANTAS SUPERIORES

FOTOSISTEMA I (P700)

FOTOSISTEMA II (P680)

ARQUITECTURA DE LOSFOTOSISTEMAS

Annu. Rev. Plant Biol. (2006) 57:521

La fotofosforilaciónrequiere delaporte de energía en forma de luz para generar unbuen dador electrónico

H2O

EXCELENTEDONADOR

RADICALCATIÓNICO

EL AGUA ES ESCINDIDA

1) EL AGUA ES LA ÚLTIMA FUENTE DE ELECRONES QUEPASAN AL NADPH EN LA FOTOSÍNTESIS

2) LO CUAL ES NECESARIO PARA QUE EL P680REGRESE A SU ESTADO BASAL Y PUEDA CAPTAROTRO FOTÓN

HACE UNOS 3000 MILLONES DE AÑOS, LA EVOLUCIÓNPRODUJO UN FOTOSISTEMA CAPAZ DE TOMAR ELECTRONES DE UN DADOR QUE ESTÁ SIEMPRE DISPONIBLE: H20

Estroma

Lumentilacoidal

Membranatilacoidal

Fotón

H2O O2

PII(P680)

PI(P700)

PLASTOCIANINA

NADP+ NADPH

“Esquema en Z”

2H2O + 2 NADP+ + 8 fotones O2 + 2 NADPH + 2 H+

Fotón

EN TOTAL SE TRANSFIEREN 4 ELECTRONESDEL AGUA AL ÚLTIMO ACEPTOR(SE REQUIEREN DE 8 FOTONES)

Estroma

Lumentilacoidal

Membranatilacoidal

PQA

Cyt b6f

Feofitina

FOTOSISTEMA II.- SISTEMA FEOFITINA-QUINONA

P680*

P680

Fotón

PQB PQBH2

P700Cytb6f

Cytb6f A través del Cyt b6f se genera elgradiente de protones

Estroma

Lumentilacoidal

Membranatilacoidal

PQA

Cyt b6f

Feofitina

FOTOSISTEMA II.- SISTEMA TIPO FEOFITINA-QUINONA

P680*

P680

Fotón

PQB PQBH2

H2O O2

Plastocianina

Cytc

Estroma

Lumentilacoidal

Membranatilacoidal

FOTOSISTEMA I (P700)

P700*

P700

Fotón

Plastocianina(reducida)

Filoquinona A (A1)

Fe-S

Ferredoxina: NADP+

oxidorreductasa

NADP+ + H+

NADPH

EL GRADIENTE DE PROTONES ES GENERADO POR EL Cyt b6f Y POR LA ESCISIÓN DEL H2O

LA FUERZA PROTÓN-MOTRIZ CREADA IMPULSA LASÍNTESIS DE ATP POR ACCIÓN DEL COMPLEJO

CFOCF1 (ATP SINTASA)

A TRAVÉS DE UN MECANISMO CATALÍTICOROTACIONAL SIMILAR AL DE LA ATP SINTASA

MITOCONDRIAL (FOF1)

Estroma

Lumentilacoidal

Membranatilacoidal

Fotón

H2O O2 + 2H+

PII(P680)

PI(P700)

PLASTOCIANINA

NADP+ NADPH

2H2O + 2 NADP+ + 8 fotones O2 + 2 NADPH + 4H+

Fotón

4H+

2e-1 NADPH requiere 2e- del H2OY 4 fotones

12

4e- O2

2H2O + 2 NADP+ + 8 fotones + 3 ADP + 3 Pi O2 + 2 NADPH + 3 ATP

FOTOFOSFORILACIÓN NO-CÍCLICA

Cyt b6f

Ferre-doxina

ATPsintasa

CF1

CFo

LUMENTILACOIDAL

ESTROMA

NADP+

Fd OXFd redFd ox

PlastocianinaPCox

PCredPCox

4H+

ADP + Pi ATP

FOTOFOSFORILACIÓNCÍCLICA

ADP + Pi ATP + H2O

NO SE FORMA NI NADPH NI O2

PROCESO DE ASIMILACIÓN DE CO2

(FIJACIÓN DE CO2 O FIJACIÓN DE CARBONO)

CICLO DE CALVIN

(CICLO DE REDUCCIÓN FOTOSINTÉTICA DEL CARBONO)

FASE OSCURA DE LA FOTOSÍNTESIS (INDEPENDIENTE DE LA LUZ)

MEMBRANAEXTERNA

MEMBRANAINTERNA

LAMELA DELESTROMA

ESTROMA

GRANA (Saco de tilacoides)

TILACOIDE

ESPACIOINTERMEM-BRANAL

ESTRUCTURA DEL CLOROPLASTO

Grana Estroma

MEMBRANA TILACOIDAL:10% fosfolípidos80% mono- o digalactosilDiacilgliceroles10% sulfoquinovosil diacilglicerolAlta insaturación: fluidez

FOTOFOSFORILACIÓNReacciones luminosas

ESTROMAReacciones

independientes deluz

Triosas fosfato

Hexosas fosfato

Sacarosa(transporte)

Almidón(Almacenaje) Celulosa

(Pared celular)

Pentosas fosfatoMetabolitosintermediarios

La síntesis de ATP y de NADPH durante la faseluminosa proporciona energía y poder reductorpara la fijación de CO2 en TRIOSAS, precursoresde todos los compuestos carbonados de las célulasvegetales

Durante el Ciclo de Calvin que sucede en el estroma del cloroplasto, el CO2 llega hasta ahí penetrando primero a las células de la hoja por los estomas de la superficie de la hoja

OBJETIVOS DEL CICLO DE CALVIN:

�Fijar el CO2 del aire en moléculas orgánicas sencillas

�Producir esqueletos carbonados sencillos que se usan como precursores en la síntesis de otros compuestos

� Producir grandes cantidades de NADP+

La vía es por tanto sintética (anabólica) y es reductora (tiene reacciones que consumen poder reductor o NADPH)

El CICLO DE CALVIN SE

PUEDE DIVIDIR EN TRES

ETAPAS

Etapa I– Fijación del CO2

Etapa II– Reducción y producciónde triosa fosfato(G3P)

Etapa III– Regeneración del aceptor de CO2

(ribulosa-1,5-bisfosfato)

ETAPAS DEL CICLO DE CALVIN:

FASE DE FIJACIÓN DE CO2

PASO 1Reacción catalizada por la RUBISCO CARBOXILASA

El CO2 difunde al interior del estroma del cloroplasto y la RUBISCO incorpora un CO2 a una molécula de 5C que es un carbohidrato llamado RIBULOSA 1,5 BISFOSFATO (RuBP).

El producto es de 6C que se parte en dos moléculas de 3C

(3-fosfoglicerato)

LA RIBULOSA 1,5-BISFOSFATO

CARBOXILASA

RuBP CARBOXILASA/OXIGENASA

(RubisCO)

cataliza la unión covalente del

CO2 a la ribulosa-1,5-bisfosfato

(carboxilación) y la ruptura del

intermediario de 6 carbonos

Constituye el 50% de las

proteínas del estroma

560 kDa, 8 subunidades

RubisCO

En estas reacciones se produce ADP, Piy NADP+, que pueden ser usadas en la fase luminosa de la fotosíntesis para producir NADPH y ATP

FASE DE REDUCCIÓN Y PRODUCCIÓN DE TRIOSA FOSFATO (G3P)

El 3-fosfoglicerato se convierte en otra molécula de 3C, el gliceraldehído 3-fosfato:

1. La 3-fosfoglicerato cinasa cataliza la transferencia de un grupo fosforilo desde el ATP al 3-fosfoglicerato (1,3-bifosfoglicerato)

2. El NADPH dona electrones en una reacción catalizada por lagliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (gliceraldehído 3-fosfato)

REGENERACIÓN DEL ACEPTOR DE CO2

La mayoría del gliceraldehído 3-fosfato se convierte en RuBP, pero otras moléculas de este compuesto dejan el Ciclo de Calvin para alimentar otras vías de síntesis de compuestos orgánicos más complejos.

DURANTE LA REGENERACIÓN DE RuBP (Ribulosa 1,5-bifosfato) SE PUEDENOBTENER INTERMEDIARIOS DE TRES, CUATRO, CINCO, SEIS Y SIETE CARBONOS

A TRAVÉS DEL ACCIÓNDE

TRANSALDOLASAS (Lys)TRANSCETOLASAS (TPP)

PARA LA CONVERSIÓN DE TRES MOLÉCULAS DE CO2 YUNA MOLÉCULA DE FOSFATO

EN UNA MOLÉCULA DE TRIOSA FOSFATO

ES NECESARIO DAR TRES VUELTAS AL CICLO DE CALVIN

3 CO2

1 TRIOSA

3 ACEPTORES

SE REQUIEREN:9 ATP6 NADPH

4 fotones/NADPH

Triosas fosfato

Hexosas fosfato

Sacarosa(transporte)

Almidón(Almacenaje) Celulosa

(Pared celular)

Pentosas fosfatoMetabolitosintermediarios

La síntesis de ATP y de NADPH durante la faseluminosa proporciona energía y poder reductorpara la fijación de CO2 en TRIOSAS, precursoresde todos los compuestos carbonados de las célulasvegetales

DESTINOS DE LAS TRIOSAS FOSFATO

Las triosas fosfatoSintetizadas en elCloroplasto puedenTransformarse enGlucosa y despuésen ALMIDÓN

Pueden transportarsehacía el citosoly transformarse en sacarosa(glucosa y fructosa)

Síntesis de Celulosaen la membrana plasmática

6H2O + 6CO

2----------> C

6H12O6+ 6O

2

OXIDACIÓN REDUCCIÓN

Agente reductor oxidante