TEMA 10 REACCIONES LUMINOSAS O TILACOIDALES
1. 2. 3. 4. 5. 6.
PROCESO LUMINOSO DE LA FOTOSNTESIS FOTOEXCITACIN Y DESEXCITACIN
DE PIGMENTOS FOTOSISTEMAS IMPLICADOS EN FOTOSNTESIS COMPLEJOS
PROTECOS PRINCIPALES DE TILACOIDES MECANISMOS DE TRANSPORTE
ELECTRNICO TRANSPORTE PROTNICO Y SNTESIS DE ATP
1. PROCESO LUMINOSO DE LA FOTOSNTESIS Es el conjunto de
reacciones que ocurren desde la absorcin de la luz por los
pigmentos tilacoidales (clorofilas y carotenoides) hasta la
produccin de ATP y NADPH. El consumo de ATP y NADPH est acoplado
seguidamente a las reacciones por las que el CO2 es reducido a
carbohidratos y que estn catalizadas por enzimas encontrados en el
estroma, la fase soluble de los cloroplastos. Este conjunto de
reacciones carbonadas fue llamado proceso oscuro en el pasado
reciente, trmino no muy apropiado ya que tanto ste como el proceso
luminoso ocurren durante el da en la naturaleza y enzimas de las
reacciones carbonadas se activan con la luz. La Figura 10.1 muestra
un esquema de las reacciones impulsadas por la luz y de las
reacciones carbonadas. 2. FOTOEXCITACIN Y DESEXCITACIN DE PIGMENTOS
De todo el espectro electromagntico solamente la regin de luz
visible, que se extiende desde 400 nm (violeta) hasta 700 nm
(rojo), es radiacin fotosintticamente activa. La luz es absorbida o
emitida en forma de particulas no fraccionables, llamados cuantos o
fotones, con una energa de:
h h energa constante frecuencia del fotn de Planck de la
radiacin
c / velocidad de la luz
longitud de onda
A un tiempo determinado una molcula de pigmento puede absorber
solo 1 fotn y ste causa la excitacin de 1 electrn, que salta desde
el orbital estable hasta el orbital excitado, pasando la molcula a
un estado de energa superior o excitado:
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Clorofila + h ----------------- Clorofila* Un esquema de la
excitacin de la clorofila por la luz puede verse en la Figura 10.2.
En el estado excitado superior la clorofila es extremadamente
inestable, cede energa al ambiente como calor muy rpidamente y
entra al estado excitado ms bajo, donde puede ser estable durante
un mximo de varios nanosegundos (10-9s). Por la inestabilidad
inherente del estado excitado, cualquier proceso que capture su
energa debe de ser extremadamente rpido. En el estado excitado ms
bajo, la clorofila tiene 4 vias alternativas para deshacerse de esa
energia: 1. Reemitir un fotn y retornar a su estado fundamental,
proceso conocido como fluorescencia. La de la fluorescencia es
ligeramente ms larga que la de absorcin porque algo de la energa de
excitacin se convierte en calor antes de emitir el fotn
fluorescente. Las clorofilas emiten fluorescencia en la regin roja
del espectro. 2. Retornando a su estado fundamental convirtiendo
toda su energa de excitacin en calor. 3. Participando en
transferencia de energa en la que una clorofila excitada transfiere
su energa a otra molcula de clorofila vecina. El mecanismo se llama
resonancia inductiva y se transfiere la energa no el electrn. 4.
Por fotoqumica, en la que la energa causa reacciones qumicas ya que
el electrn excitado es transferido. Las reacciones fotoqumicas de
la fotosntesis estn entre las reacciones qumicas ms rpidas
conocidas, ya que deben competir con las otras formas de
desexcitacin. La fluorescencia roja de la clorofila puede verse
iluminando con luz blanca, azul o UV una disolucin concentrada de
clorofilas a y b o de pigmentos del cloroplasto. Por la prdida
calorifica del estado excitado superior al que se llega por
absorcin de luz azul (Figura 10.2) la luz roja, con cuya absorcin
se alcanza el estado excitado inferior, es ms eficiente que la azul
para la fotosntesis.ESPECTROS DE ABSORCIN Y DE ACCIN DE LA
FOTOSNTESIS
Puede demostrarse que la clorofila absorbe la luz para la
fotosntesis comparando el espectro de accin de la fotosntesis con
los espectros de absorcin de los pigmentos del cloroplasto: Un
espectro de accin representa la magnitud de la respuesta de un
sistema biolgico a la luz en funcin de la de sta. Para la
fotosntesis puede construirse con medidas de desprendimiento de O2
a diferentes (Figura 10.3).
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El espectro de accin debe de coincidir o parecerse al espectro
de absorcin del pigmento responsable de la absorcin de la luz para
la fotosntesis, ya que para producir un proceso qumico la luz debe
ser absorbida (principio de fotoqumica). La Figura 10.3 muestra la
coincidencia del espectro de accin para produccin de O2 con el
espectro de absorcin de cloroplastos intactos, indicando la
participacin de las clorofilas en la absorcin de la luz para la
fotosntesis. No obstante, en la naturaleza, las luces verde y
amarilla son ms efectivas en la fotosntesis de lo esperable por su
absorcin por las clorofilas y los carotenoides. La explicacin es
que estas se absorben finalmente debido a las mltiples reflexiones
de cloroplasto en cloroplasto.
3. FOTOSISTEMAS IMPLICADOS EN FOTOSNTESIS Durante la dcada de
1950, Emerson midi el rendimiento cuntico de la fotosntesis en
funcin de la y revel un efecto conocido como la cada del rojo
(Figura 10.4). El rendimiento cuntico de la fotosntesis se define
por: Nmero de productos fotoqumicos Nmero total de cuantos
absorbidos y puesto que hacen falta 10 fotones para producir 1 O2,
el rendimiento cuntico mximo de produccin de O2 es aproximadamente
0.1. La observacin de la Figura 10.4 indica que el rendimiento
fotosinttico disminuye fuertemente en la regin infrarroja de
absorcin de las clorofilas ( mayor de 680 nm), y por ello la luz
con mayor de 680 nm es mucho menos eficiente que la luz de ms
corta. Otro resultado experimental desconcertante fue el efecto
aumento, descubierto tambin por Emerson. ste midi la velocidad de
fotosntesis separadamente con luces roja e infrarroja, y despus con
los dos haces luminosos simultneos, observando en este ltimo caso
que la velocidad de fotosntesis era mayor que la suma de las
velocidades de las dos luces por separado. ste era un resultado
sorprendente (Figura 10.5). stas y otras observaciones llevaron al
descubrimiento de 2 complejos fotoqumicos (PS I y PS II) que operan
en serie para llevar a cabo las reacciones de almacenaje de energa
tempranas de fotosntesis: El PSII absorbe luz solo hasta 680 nm y
se localiza en los tilacoides granales. El PSI absorbe luz de ms y
de menos de 680 nm y se localiza en los tilacoides de estroma y
bordes de tilacoides de grana.
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Con luz de ms de 680 nm no funciona el PSII y ambos son
necesarios para la fotosntesis mxima + luz hasta 680 nm PSII 2 H2O
O2 + 4H+ + luz hasta 700 nm PSI 2 NADPH + 2H+ 4 H+ 2 NADP+
Ambos fotosistemas cooperan en fotosntesis a menores de 680
nm.
4. COMPLEJOS PROTECOS PRINCIPALES DE LOS TILACOIDES La membrana
tilacoidal contiene 4 complejos protecos integrales principales:
Fotosistema I (PSI), Fotosistema II (PSII), ATP-sintasa y Complejo
citocromo b6f. A) Empezando por los Fotosistemas, cada uno de ellos
consta de complejos antena (LHC) y de un complejo del centro de
reaccin o complejo central (Figura 10.6): El PSI est constitudo por
varios complejos antena (LHCI) y el complejo central conteniendo el
centro de reaccin (P700) El PSII est constitudo por varios
complejos antena de este fotosistema (LHCII) y el complejo central
(que es un dmero) conteniendo el centro de reaccin (P680) P680 y
P700 son molculas de clorofila a especiales. Los complejos antena o
complejos protena-pigmento contienen protena y la mayora de los
pigmentos (clorofilas a y b, y carotenoides) y son muy variados.
Los asociados con el PSI reciben el nombre de LHCI y los asociados
con el PSII, LHCII. La protena del complejo LHCII constituye la
mitad de la protena de los tilacoides y, a pesar de su nombre, ste
puede colectar energa tambin para el PSI puesto que su fosforilacin
permite su migracin al PSI para redistribuir la energa absorbida.
Los complejos antena funcionan para canalizar la energa hacia los
centros de reaccin con los que estn asociados. Dentro de la antena,
la transferencia de energa ocurre por resonancia inductiva y muy
eficientemente (puede transferirse al centro de reaccin el 95-99%
de los fotones absorbidos). Esta canalizacin energtica es
irreversible ya que los pigmentos de la antena tienen mximos de
absorcin progresivamente a rojas ms largas (Figura 10.7). La
estrecha proximidad y la orientacin apropiada de los pigmentos
donador y aceptor transfieren la energa con alta velocidad y
eficiencia (la eficiencia de la transferencia energtica es
inversamente proporcional a la 6 potencia de la distancia que
separa las dos molculas).
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Puesto que los dos fotosistemas cooperan en el transporte
electrnico y estn espacialmente separados, deben de haber
transportadores electrnicos difusibles. Estos son plastocianina
(PC) y plastoquinona (PQ). Lo ms habitual es que la razn PSII/PSI
sea aproximadamente igual a 1.5/1, pero puede cambiar cuando las
plantas crecen en diferentes condiciones luminosas. B) El complejo
ATP-sintasa o ATP-asa, como ocurre con el PSI, se encuentra casi
exclusivamente en los tilacoides de estroma y en los bordes de los
tilacoides de grana. C) El complejo citocromo b6f, que es un
complejo multisubunidad con muchos grupos prostticos, est
igualmente distribudo entre los tilacoides de estroma y los de
grana.
5. MECANISMOS DE TRANSPORTE ELECTRNICO La Figura 10.8 muestra
una versin actual del esquema Z de transporte electrnico en el que
todos los transportadores electrnicos conocidos del flujo
electrnico desde el H2O hasta el NADP+ se disponen verticalmente
segn sus potenciales redox medios. Las dos flechas gruesas
verticales representan la absorcin de la luz por las clorofilas de
los centros de reaccin (P680 y P700), que expulsan los electrones.
El electrn pasa por una serie de transportadores electrnicos y
reduce P700+ o NADP+
5.MECANISMOS DE TRANSPORTE ELECTRNICO La Figura 10.8 muestra una
versin actual del esquema Z de transporte electrnico en el que
todos los transportadores electrnicos conocidos del flujo
electrnico desde el H2O hasta el NADP+ se disponen verticalmente
segn sus potenciales redox medios. Las dos flechas gruesas
verticales representan la absorcin de la luz por las clorofilas de
los centros de reaccin (P680 y P700), que expulsan los electrones.
El electrn pasa por una serie de transportadores electrnicos y
reduce P700+ o NADP+ La Figura 10.9 esquematiza los procesos
qumicos que constituyen las reacciones luminosas de la fotosntesis,
realizadas por los 4 complejos protecos principales y que estn
vectorialmente orientados en la membrana tilacoidal y funcionan
como sigue: 1. El PSII oxida el H2O hasta O2 en el lumen tilacoidal
y en el proceso libera protones al lumen.
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2. El citocromo b6f oxida la plastohidroquinona (PQH2), que era
reducida por el PSII, y entrega electrones al PSI. La oxidacin de
PQH2 est acoplada a transferencia protnica al lumen desde el
estroma, generando una fuerza motriz de protones. 3. El PSI reduce
NADP+ hasta NADPH en el estroma por accin de ferredoxina (Fd) y la
flavoprotena ferredoxina-NADP reductasa (FNR). 4. ATP-sintasa
produce ATP cuando los protones se difunden retrocediendo a travs
de este complejo desde el lumen hasta el estroma. La energa es
capturada cuando una molcula de clorofila excitada reduce una
molcula aceptora de electrones: El aceptor electrnico de la
clorofila excitada del centro de reaccin transfiere su electrn
extra a un aceptor secundario, y as sucesivamente a lo largo de una
cadena de transporte electrnico, siendo NADP+ el ltimo aceptor El
centro de reaccin oxidado de la clorofila que ha donado un electrn
es reducido por un donador secundario, que a su vez es reducido por
un donador terciario, siendo H2O el donador ltimo El almacenaje de
energa se debe a la rapidez de las reacciones qumicas secundarias
que separan las cargas a lados opuestos de la membrana tilacoidal,
que ocurren en aproximadamente 200 picosegundos (200 10-12 s) Las
clorofilas de los centros de reaccin de los dos fotosistemas
absorben a diferentes : La clorofila del centro de reaccin del PSI
tiene un mximo de absorcin a 700 nm en su estado reducido y se
llama P700 (P proviene de pigmento). La clorofila del centro de
reaccin del PSII tiene un mximo de absorcin a 680 nm y se conoce
como P680. El complejo central del PSII es un complejo
protena-pigmento multisubunidad: En plantas superiores, el
supercomplejo proteco multisubunidad tiene 2 centros de reaccin
completos y algunos complejos antena. El corazn del centro de
reaccin consiste de dos protenas de membrana conocidas como D1 y
D2, as como otras protenas. La clorofila donadora primaria,
clorofilas adicionales, carotenoides, feofitinas y plastoquinonas
estn enlazadas a las protenas de membrana D1 y D2.SECUENCIA DE
ETAPAS EN EL TRANSPORTE ELECTRNICO
1. El agua es oxidada hasta O2 por el PSII: El agua se oxida
segn la reaccin siguiente: 2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e El agua es una
molcula muy estable y su oxidacin hasta O2 es muy difcil, siendo el
complejo productor de oxgeno fotosinttico el nico sistema bioqumico
conocido que realiza esta reaccin Los protones producidos por
oxidacin del agua son liberados al lumen del tilacoide ya que el
complejo productor de O2 est localizado sobre la superficie
interior del tilacoide 6
Se conoce desde hace muchos aos que el manganeso (Mn) es un
cofactor esencial en el proceso oxidante de H2O y una hiptesis es
que iones Mn+2 sufren una serie de oxidaciones, conocidas como
estados S y marcados como So, S1, S2, S3 y S4, quiz ligados a la
oxidacin del H2O y la generacin de O2 (Figura 10.10). Experimentos
analticos indican que 4 iones Mn+2 estn asociados con cada complejo
productor de O2. Otros experimentos han mostrado que iones Cl- y
Ca+2 son esenciales para la produccin de O2. Un transportador
electrnico, identificado como Yz, funciona entre el complejo
productor de O2 y P680. Esta especie ha sido identificada como un
radical formado por un residuo de tirosina en la protena D1 del
centro de reaccin del PSII. 2. Feofitina (clorofila sin Mg) y dos
quinonas aceptan electrones del PSII: La feofitina acta como
aceptor temprano en el PSII, seguido por un complejo de dos
plastoquinonas en estrecha proximidad a un tomo de hierro. Dos
plastoquinonas (PQA y PQB) estn enlazadas al centro de reaccin y
reciben electrones de feofitina de forma secuencial. PQB reducida
toma 2 protones del estroma, formndose plastohidroquinona (PQH2)
que se disocia del complejo del centro de reaccin y transfiere sus
electrones al complejo citocromo b6f. 3. El flujo electrnico a
travs del complejo citocromo b6f tambin transporta protones: El
complejo citocromo b6f es una gran protena multisubunidad con
varios grupos prostticos: 2 citocromos tipo b, 1 citocromo f y
protena hierro-azufre. El citocromo f transfiere un electrn a la
protena con cobre plastocianina, que a su vez reduce P700 oxidado
del PSI. Con la participacin de una plastoquinona tambin se
transfieren protones al lumen tilacoidal. 4. Plastoquinona y
plastocianina transportan electrones entre los PSII y PSI: Puesto
que los dos fotosistemas estn en lugares diferentes de las
membranas tilacoidales, se piensa que plastoquinona o
plastocianina, o ambas, sirven como transportadores mviles para
conectar los dos fotosistemas. Plastocianina es una protena
conteniendo Cu, soluble en agua y pequea (10.5 kDa) encontrada en
el lumen. 5. El centro de reaccin del PSI reduce el NADP+: En el
centro del complejo hay cofactores de transferencia electrnica,
estando entre estos aceptores primarios una molcula de clorofila y
una quinona (filoquinona o vitamina K1). Aceptores electrnicos
adicionales incluyen una serie de 3 protenas hierroazufre asociadas
a membrana o centros Fe-S: FeSx, FeSA y FeSB. Los electrones son
transferidos por los transportadores anteriores hasta ferredoxina
(Fd) una pequea protena hierro-azufre soluble en agua. La
flavoprotena asociada a membrana ferredoxina-NADP reductasa (FNR)
reduce NADP+ hasta NADPH, completando as la secuencia de transporte
electrnico no ciclico que empieza con la oxidacin del agua.
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El flujo electrnico cclico genera ATP pero no NADPH: Complejos
citocromo b6f se encuentran en la regin estromal de la membrana
donde se localiza el PSI. Bajo ciertas condiciones ocurre flujo
electrnico cclico desde el lado reductor del PSI va
plastohidroquinona y el complejo b6f y de nuevo a P700. Este flujo
electrnico cclico est acoplado a bombeo de protones hasta el lumen,
que puede utilizarse para sntesis de ATP, pero no oxida al H2O ni
reduce al NADP+.
Algunos herbicidas actan como tales porque bloquean el flujo
electrnico fotosinttico: Algunos herbicidas, como
diclorofenil-dimetil urea (DCMU o diuron) y paraquat
(metil-violgeno) bloquean el flujo electrnico fotosinttico. Muchos
herbicidas, DCMU entre ellos, bloquean el flujo electrnico en las
quinonas aceptoras del PSII, compitiendo por el lugar de enlace de
plastoquinona que es ocupado normalmente por PQB (bloquea el paso
QA QB). Otros herbicidas, como paraquat, acta aceptando electrones
de los aceptores primarios del PSI y reaccionando luego con O2 para
formar superxido (O2), una especie muy daina para los componentes
del cloroplasto, especialmente los lpidos.
6. TRANSPORTE PROTNICO Y SNTESIS DE ATP Adems de la energa
luminosa capturada para producir NADPH, otra fraccin de esta energa
se usa para sntesis de ATP dependiente de luz, conocida como
fotofosforilacin, proceso descubierto por Arnon en la dcada de
1950. Se acepta ahora que la fotofosforilacin se produce por el
mecanismo quimiosmtico propuesto por Peter Mitchell en la dcada de
1960, mecanismo que tambin dirige la fosforilacin durante la
respiracin aerobia en bacterias y mitocondrias. El principio bsico
de quimiosmosis es que diferencias de concentracin inica y
potencial elctrico a travs de membranas son fuentes de energa libre
que pueden ser utilizadas por la clula. Como describe la 2 Ley de
la termodinmica, cualquier distribucin no uniforme de materia o
energa representa una fuente de energa. Durante el flujo electrnico
fotosinttico, la direccin del transporte protnico es tal que el
estroma se hace ms alcalino (menos iones H+) y el lumen se hace ms
cido (ms iones H+). Una de las primeras evidencias apoyando el
mecanismo quimiosmtico de formacin fotosinttica de ATP era
suministrada por un elegante experimento realizado por Andr
Jagendorf y col. en 1967 (Figura 10.11). Suspendieron tilacoides de
cloroplastos en un tampn de pH 4 y el tampn se difundi a travs de
la membrana, causando al interior del tilacoide equilibrarse con el
exterior a este pH cido. Despus transfirieron los
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tilacoides rpidamente a un tampn de pH 8, creando as una
diferencia de pH de 4 unidades a travs de la membrana y con el
interior cido en relacin con el exterior. En estas condiciones
encontraron que se formaban grandes cantidades de ATP a partir de
ADP y Pi sin aporte de luz. Mitchell propuso que la energa total
disponible para la sntesis de ATP, que llam fuerza protn-motriz
(p), es la suma de un potencial qumico y un potencial elctrico
transmembrana de protones: p E - 59 (pHi - pHe) E potencial
elctrico transmembrana pHi - pHe pH diferencia de pH a travs de la
membrana La constante de proporcionalidad (a 25 C) es 59 mV por
unidad de pH, de forma que una diferencia de pH transmembrana de
una unidad de pH es equivalente a un potencial de membrana de 59
mV. El ATP es sintetizado por un gran complejo enzimtico (400 kDa)
conocido por varios nombres: ATP-sintasa, ATP-asa (porque tambin
cataliza la reaccin inversa de hidrlisis) y CFo CF1: Este enzima
consta de 2 partes: una porcin ligada a la membrana e hidrofbica
llamada CFo y una porcin que sobresale al estroma llamada CF1
(Figura 10.12). CFo parece formar un canal a travs de la membrana
por el cual pueden pasar los protones. CF1 est constitudo por
varios pptidos, incluyendo 3 copias de cada uno de los pptidos y
dispuestos alternativamente como los gajos de una naranja. Como los
centros catalticos estn localizados mayoritariamente sobre el
polipptido , se cree que muchos de los otros pptidos tienen
funciones reguladoras, CF1 es la porcin del complejo que sintetiza
el ATP. Un aspecto destacable del mecanismo de la ATP-sintasa es
que el polipptido alargado con forma de pednculo interno, y
probablemente gran parte de CFO del enzima, rotan durante la
catlisis. El enzima acta como un diminuto motor molecular. Son
sintetizadas 3 molculas de ATP por cada rotacin del enzima. De
acuerdo con imgenes microscpicas directas de la parte CFO de la
ATP-sintasa del cloroplasto sta contiene 14 copias de la subunidad
c integral de membrana. Cada subunidad puede transportar 1 protn a
travs de la membrana cada vez que rota el complejo.
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