(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La fotosíntesis) (Introducción)(Generalidades de la fotosíntesis)(Física de la fotosíntesis)(Destino de los átomos en la fotosíntesis)(Reacciones de la luz 1, la oxidación del agua)(Reacciones de la luz 2, Cadena de transporte de electrones y fosforilación)(Introducción a las reacciones de la oscuridad)(Etapa de fijación de carbono en las plantas C3)(Etapa de fijación de carbono en las plantas CAM y C4)(Etapa de regeneración de la RuBP)(Etapa de síntesis de carbohidratos)(Evolución de la fotosíntesis)(Referencias bibliográficas)(Versión documento word)
La evolución de los seres vivos capaces de emplear agua como una fuente de electrones acompañó una de las mayores modificaciones en los mecanismos de fotosíntesis que se han documentado hasta la fecha. El agua en esta historia no es un aceptor de electrones, de hecho, el agua es una molécula muy oxidada y es muy difícil que acepte más electrones. Uno de los puntos cruciales de la fotosíntesis del tipo II es que emplea agua como fuente de electrones. Como ya se dijo en la sección anterior, el centro de reacción del fotosistema emite electrones desde sí mismo a un aceptor, pero si no existiera una fuente de electrones externa, al poco tiempo, las moléculas de clorofila se quedarían sin electrones para enviar a su aceptor. El agua es la clave en este punto, ya que a partir de su rompimiento en el fotosistema II, permite extraer los electrones que regeneran los que ha perdido el centro de reacción del fotosistema.
Figura 11. ¿Qué es la fotosíntesis?,
es literalmente una cadena de transporte de electrones que genera una corriente
eléctrica con el Sol y electrones provenientes del agua. A diferencia de la
cadena de transporte de electrones de la respiración que es una
"bajada", en la fotosíntesis tenemos una montaña rusa, en esta hay
dos subidas representadas por los fotosistemas, y dos bajadas representadas por
una serie de aceptores/donantes de electrones que deben terminar en la síntesis
de NADPH. El esquema aquí presentado se denomina esquema Z "aunque a mí me
parece más una M".
Durante la fotosíntesis que emplea agua como fuente de
electrones, el sistema se distribuye de manera similar a la cadena de
transporte de electrones de la respiración celular aeróbica, con una serie de
complejos proteínicos que terminan en una f1f0 ATP sintasa. Los otros complejos
son tres, dos de ellos son fotosistemas, y el último es un citocromo reducto de
la cadena de transporte de electrones que dio origen a la fotosíntesis de tipo
II. El orden completo del proceso es fotosistema II, citocromo, Fotosistema I y
f1f0 ATP sintasa. En medio de estos sistemas se encuentran una serie de
moléculas vinculantes tal como sucede en la cadena de transporte de electrones
de la respiración celular aeróbica, los cuales transportan electrones casi como
una red eléctrica. El fotosistema II carga con energía a los electrones
extraídos del agua hasta un nivel intermedio. El segundo fotosistema retoma
estos electrones después de haber perdido una fracción de esta energía y los
vuelve a cargar a un nivel superior del que necesita el NADP+
para reaccionar con iones protio(1+) y convertirse en NADPH.
A pesar de las diferencias, la organización general de los
fotosistemas es muy similar entre sí, lo cual implica un origen a partir de un
solo fotosistema ancestral mediante duplicación de genes. El fotosistema
ancestral es homologo al fotosistema I, el cual, aunque no puede operar con
agua sin el fotosistema II, si lo puede hacer de manera autónoma si el donante
de electrones inicial es el ácido sulfhídrico u otras fuentes minerales de
rocas especiales.
El centro de reacción de la molécula de clorofila es pequeño
en comparación con su respectiva antena. Recuérdese que los cálculos originales
establecían que existía 300 veces más clorofila de la que se empleaba en la
producción de electrones. El centro de reacción del fotosistema II está
compuesto por 2 moléculas de clorofila, es decir un dímero al cual se le
denomina pigmento absorbente de la longitud de onda 680 nanómetros, o para
recortar P680.
El centro de reacción del fotosistema I también es un dímero
de clorofilas al cual se le denomina pigmento absorbente de la longitud de onda
700 nanómetros, o para acortar P700. Cuando un rayo de Sol
impacta en el tilacoide de un cloroplasto, su energía es absorbida parcialmente
por las secciones de la antena del fotosistema, compuesto por cientos de
moléculas de clorofila. Rápidamente la energía es trasferida con cierto nivel
de pérdida al centro de reacción que libera electrones. Una vez que ambos
fotosistemas liberan electrones, adquieren una carga positiva que provoca que
adquieran la tendencia a atraer electrones de otras partes. Más allá de los procesos subsecuentes, el
paso antes mencionado es la clave de todo el proceso, ya que es aquí donde, la
energía de la luz en forma de fotones sin masa, se transfiere a los electrones
con masa, es decir, donde energía en términos físicos se convierte energía en
términos químicos, y más aún en términos de una corriente de electrones.
Aunque originalmente no existe un sentido de arriba o abajo, estableceremos un marco de referencia vinculado al modo en que se representa a la cadena de transporte de electrones de la fotosíntesis en todos los esquemas que he visto. Así siempre está “abajo” el lumen o interior del tilacoide y siempre está “arriba” el estroma del cloroplasto, así que esa será la dirección sobre la cual estableceremos de aquí en adelante la orientación de nuestras palabras. Es decir, para saber ubicarnos en los mapas de las representaciones de las reacciones lumínicas diremos que, el centro del fotosistema es el centro de reacción fotosintético, la parte de arriba es la mitad que da hacia el estroma y la parte de abajo es la que termina hacia el lumen. El fotosistema no es solo un grupo de moléculas de clorofila, es un complejo de proteínas con varios grupos prostéticos de importancia.
Figura 12. Estructura completa del
fotosistema II, "arriba" estroma, "abajo" lumen. La región
de la antena se encuentra hacia arriba, mientras que el dominio que degrada el
agua y sintetiza el oxígeno molecular está abajo., en el centro se encuentra
una serie de aceptores/donantes de electrones. El proceso de flujo de
electrones empieza en el centro de reacción que realiza un proceso doble, al
activarse empuja un electrón hacia la parte de arriba del fotosistema, y al
mismo tiempo genera un efecto de atracción hacia electrones que provienen de la
parte inferior del fotosistema.
El proceso inicia con la extracción de electrones desde el
agua “rompiéndola en el proceso”, y termina con la deposición de estos
electrones en una molécula llamada plastoquinona “PQ a PQ2-”.
Los eventos comienzan con la absorción de luz por parte de los pigmentos de la
antena en el complejo de captura de luz externa (LHCII). La energía es
transferida desde LHCII a través de la antena interna que sirve conector hacia
el centro de reacción “P680” de clorofila a, donde cada
una de las 4 moléculas están cercanamente unidas. El dímero P680
y otras dos moléculas de clorofila a accesorias. Como ya se ha mencionado
anteriormente, cuando la energía impacta de P680 un electrón
es emitido con alta energía hacia un aceptor “o más bien una cadena de
aceptores”. El primer aceptor se denomina feofitina “Pheo”, la cual
es una molécula de clorofila que carece del centro de magnesio II. El segundo
aceptor de electrones es la plastoquinona A (PQA)
ubicado en el estroma del tilacoide. Posteriormente avanza hacia un grupo
prostético de hierro “no insertado en un grupo hemo”. El siguiente aceptor de
electrones es la molécula móvil llamada plastoquinona B (PQB)
que no hace parte integral del fotosistema II, es decir, PQB
puede salir o ingresar del fotosistema II dependiendo de si está oxidado o
reducido. PQB ingresa al fotosistema II oxidado “sin el
par de electrones energéticos”, en el fotosistema II se le transfieren los
electrones uno por uno desde el hierro prostético. Una vez que los dos
electrones han sido cargados en PQB, dos protones
ingresan desde el estroma formando PQBH2, en
este punto esta molécula abandona el fotosismeta II. PQB es
apolar, por lo que al salir del fotosistema ingresa en la membrana del
tilacoide.
A medida que los eventos en la parte media y superior del
fotosistema II ocurren (visto si ponemos al estroma del cloroplasto arriba y el
lumen del tilacoide abajo), otra serie de reacciones toman lugar hacia la zona
del lumen del cloroplasto. Una vez que el centro fotosintético pierde un
electron incrementa su afinidad hacia electrones externos, los cuales vienen de
“abajo” donados por otra serie de grupos prostéticos y finalmente desde el
agua. Viendo desde el centro de reacción fotosintético, el primer donante de
electrones es un grupo prostético llamado TyrZ.
TyrZ dona un electrón por cada uno que pierde
el centro de reacción. Por debajo se encuentra un complejo de metales, el
manganeso y el calcio formando una estructura cubica. Por cada 4 átomos de
manganeso existe un átomo de calcio. El centro metálico requiere de DOS
moléculas de agua para operar la lisis y la síntesis de oxígeno y 4 iones
protio(1+). Los detalles de cada uno de estos procesos se estudiarán en
artículos posteriores.
El fotosistema II emplea la luz absorbida para realizar dos
actividades interrelacionadas. La primera es la generación de una corriente de
electrones a través del fotosistema, iniciando desde el centro de la reacción,
empujando y jalando electrones de manera simultánea. Los electrones empujados
son enviados hacia una serie de portadores que terminan en la plastoquinona.
Los electrones jalados provienen a su vez de otra serie de portadores de
electrones que tienen su origen último en varias moléculas de agua. El
fotosistema II de una célula vegetal es un complejo de más de 20 polipéptidos,
la mayoría de los cuales se encuentran integrados en la membrana del tilacoide.
Dos de estas proteínas se designan con los códigos D1 y D2.
D1 y D2
son particularmente importantes ya que ellos se unen al centro de
reacción P680 y a todos los cofactores involucrados en el
transporte de electrones a través de todo el fotosistema. El primer paso en la
activación del fotosistema II es la absorción de luz por parte de los pigmentos
de la antena. La mayoría de los
pigmentos de la antena que recolectan energía residen en el interior de un
complejo de pigmentos separado denominado “Complejo de Recolección de Luz II,
también llamado LHCII por sus siglas en ingles”. Las proteínas del LHCII se
unen tanto a las clorofilas como a los carotenoides y son dispuestas de manera
externa al núcleo del fotosistema. El LHCII no es un sistema rígido, bajo
ciertas circunstancias puede migrar para asociarse al fotosistema I y servir
como antena de recolección de luz para el centro de reacción P700.
Es una molécula de la familia de las quinonas, muy similar
en su estructura a la ubiquinona “coenzima Q10”.
Esto implica que es una molécula apolar que se mueve con facilidad en el
interior de la membrana celular pero que no puede moverse hacia las regiones
acuosas. La plastoquinona es un portador de energía en el mismo sentido que el NAD
y el FAD, es decir tyransporta tanto electrones energérticos
“que precisamente deben terminar en el NADP” y también
protones desde el estroma del cloroplasto a lal interior del tilacoide
generando un diferencia electroquímico de concentración de protones. Con el
diferencial electroquímico se genera un gradiente de protones que permitirá el
movimiento de una F1F0 ATP sintasa igual que en la respiración celular
aeróbica. La plastoquinona al ser cargada con dos electrones energéticos y dos
protones provenientes de iones protio(1+) del estroma del cloroplasto pasa a
denominarse plastoquinol. Varias moléculas derivadas de la plastoquinona han
demostrado poseer efectos antioxidante y antienvejecimiento.
La energía de excitación es transferida desde los pigmentos
de la región externa de la antena LHCII a un pequeño número de clorofilas de la
antena interna ubicadas cerca del núcleo del fotosistema II. Desde aquí la
energía termina en el centro de reacción P680. Como se ha
mencionado reiterativamente, el centro de reacción libera electrones con la
absorción de luz, pero esto ocurre del siguiente modo.
La importancia de este diferencial de cargas se hace
evidente cuando se analizan los potenciales de oxidación-reducción de estas dos
especies. P680 al poseer una carga positiva incrementa su electronegatividad
y afinidad por electrones, lo cual implica que puede aceptar electrones con
suma facilidad “con menor energía”, convirtiéndolo en un potente agente
oxidante. En contraste,
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Debido a que ambas especies poseen cargas opuestas, con
tendencias complementarias, el proceso de fotosíntesis sería imposible si no
existiera una salvaguarda que impidiera que ambas especies reaccionaran entre
sí, disipando la energía en forma de calor. El proceso se logra simplemente
mediante la transferencia del potencial de óxido-reducción a las zonas opuestas
del fotosistema II. En otras palabras,
La plastoquinona A es solo un portador de electrones
momentáneo, que de manera inmediata transfiere su electrón a una segunda
molécula de plastoquinona que no permanece de marea permanente en el
fotosistema II. Esta segunda molécula de plastoquinona se denomina
plastoquinona B o PQB. La plastoquinona B
permanece fuertemente ligada al dominio D1
del fotosistema II aun cuando recibe un electrón. Solo hasta que la
plastoquinona B recibe un segundo electrón se libera del dominio D1
y reacciona como una base con un par de protones provenientes del estroma donde
se encuentran almacenados en forma de iones protio(1+). Una vez los protones
“hidrógenos” son transferidos a la plastoquinona esta se transforma en
plastoquinol. Una vez D1 pierde una plastoquinona en forma de plastoquinol,
reemplaza su perdida por una nueva molécula de plastoquinona completamente
oxidada “no electrones y no protones”, para la siguiente ronda de reacciones.
Producir energía a partir del agua es una gran farsa, la
cantidad de energía que almacena del agua es extremadamente baja en términos de
procesos químicos y termodinámicos. Como cualquier molécula altamente estable,
el agua necesita energía para romperse, no al revés. Toda reacción para que sea
termodinámicamente favorable requiere emitir energía al universo, por lo cual
para romper el agua se debe generar un estado o material que al reaccionar con
ella sintetice una molécula de menor energía "con la consecuente liberación
del sobrante energético al universo". Un último detalle adicional, la
UNICA reacción de carga de energía en electrones, es la transferencia de
electrones desde P680 hacia Pheo. TODAS las
demás reacciones de transferencia de energía DEBEN realizarse cuesta abajo, con
transferencias energéticas en las que los productos son siempre de menor nivel
energético.
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Las reacciones de trasferencia de electrones desde el agua
hacia P680 por muchas décadas fue la parte menos conocida de
las reacciones de fotosíntesis. A pesar de que la reacción general de la
fotosíntesis había sido formulada desde principios del siglo XX, no fue sino
hasta 1970 que gracias a los trabajos de Pierre Joliot y Bessel Kok, quienes
propusieron la hipótesis del estado S “mecanismo de funcionamiento del complejo
de evolución de oxígeno". A pesar de que el agua es una molécula muy
estable que necesita de grandes cantidades de energía eléctrica o temperaturas
superiores a los 2000°C para romperse, los cloroplastos pueden lograrlo aun en
plantas que habitan en las montañas de las tundras del extremo norte y sur del
mundo, solo con la energía del espectro visible. El rompimiento del agua
durante la fotosíntesis se llama fotolisis. Sin embargo, la fotolisis no ocurre
mediante un segundo bombardeo de fotones, todo debe lograrse mediante los
productos que surgen de la primera reacción del fotosistema.
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La única reacción donde interviene la luz (γ) es esta, el flujo de electrones desde el centro de reacción P680 a Pheo. Una vez que P680 se torna positivo se convierte en un agente oxidante más potente que el oxígeno, lo cual le permite atraer electrones hacia sí mismo. Los electrones son jalados de forma tal que P+680 es el último aceptor de electrones en esta cadena. La formación de una sola molécula de oxígeno necesita la fotolisis de dos moléculas de agua, de manera simultánea. Pero la cadena de transporte de electrones en el fotosistema II solo permite el flujo de un electrón a la vez. Adicionalmente, los experimentos en esta fase de la fotosíntesis se realizaron con ráfagas de luz muy breves, lo cual permitió determinar que una molécula de oxigeno era producida por cada cuatro ráfagas (4 equivalentes de fotones) de luz en el fotosistema.
Figura 13. Abajo se encuentran dos
moléculas de agua que al ingresar en el complejo de evolución de oxígeno
reaccionan, liberando 4 electrones, 4 protones y una molécula de oxígeno
molecular. Los electrones los jalados hacia P680 gracias a una molécula similar
a la clorofila que sirve como puente llamada TyrZ.
El problema se resuelve mediante un mecanismo capaz de
ahorrar electrones en grupos de 4. A medida que la cadena de transporte de
electrones los necesita, este complejo libera de uno en uno, hasta que se queda
vacío. En este punto reacciona de manera simultánea con dos moléculas de agua,
para extraer cuatro nuevos electrones y de este modo volver a completar sus
reservas para los siguientes cuatro préstamos.
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Este complejo de ahorro de cuatro electrones por ciclo se le
denomina complejo de evolución de oxígeno.
Está compuesto por 5 átomos metálicos, 4 de manganeso y 1 de calcio. El
complejo solo almacena la suficiente electronegatividad para oxidar el agua una
vez ha perdido sus cuatro electrones completamente, y esto solo ocurre una vez P680
se ha tornado positivo cuatro veces consecutivas.
Debe tenerse en cuenta que, el exceso de luz puede acarrear
problemas potenciales para el fotosistema. Recordemos que el proceso transcurre
gracias a la formación de agentes oxidantes más potentes aun que el propio
oxígeno, y de igual forma pueden ocurrir errores durante la reacción del
complejo de evolución de oxígeno con el agua dando lugar a especies de oxígeno
tóxicas. Fuera de control, estas especies pueden oxidar lo que sea, incluyendo
el ADN del cloroplasto. A este fenómeno se lo denomina fotoinhibición. La luz
ultravioleta puede formar especies de manganeso de valencias muy altas, las
cuales inducen a daños en las proteínas que sirven de marco para la cadena de
transporte de electrones del fotosistema II. Del mismo modo, un exceso de P+680
conlleva a la oxidación de las proteínas que sirven de marco y también de los
pigmentos de la antena. En otras palabras, demasiada energía sobrecarga el
sistema y lo lleva a su propia destrucción. Los cloroplastos poseen una gran
cantidad de salvaguardas contra este fenómeno, varios caterotenoides y
derivados de la plastoquinona son antioxidantes. Mientras que, por otra parte,
el cloroplasto reemplaza constantemente su dominio D1 y
a sus complejos de evolución de oxígeno para evitar oxidarse a sí mismo. Los
mecanismos de protección son tan eficaces, que los vegetales se cuentan entre
los seres vivos más longevos del planea, existen árboles que han vivido por
milenios sin desarrollar cáncer.
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