(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)
Una vez fuera del agua los electrones, el oxígeno y el ion protio(1+)
seguirán destinos diferentes. El oxígeno formará su gas diatómico en la mayoría
de los casos O2 y será expulsado de la célula, el ion
protio(1+) H+(aq) se quedará interno aumentando la
acidez, la presión osmótica y la diferencia de potencial eléctrica, de manera
semejante a lo que ocurre en la respiración aeróbica o en la excitación de una
neurona. Los electrones por otra parte fluirán a través de la cadena de
transporte hasta el aceptor final que es el NADP+. El objetivo de
este flujo será permitir el transporte de más iones protio(1+) al interior con
el consecuente aumento en acidez, osmolaridad y diferencia de potencial
eléctrico, haciendo que la membrana del tilacoide se cargue como una batería.
El citocromo fotosintético recibe el nombre formal de citocromo b6f, el cual es homólogo en estructura y función al citocromo III (bc1) de la cadena de transporte de electrones de la respiración celular aeróbica. Ambos son un complejo de proteínas lleno de grupos prostéticos que permite el flujo de una corriente de electrones, en este caso del plastoquinol, y en el caso de su homólogo del ubiquinol.
Figura 14. "Arriba" el
estroma del cloroplasto, "abajo" el interior del tilacoide. PQ
transfiere dos protones al interior del tilacoide formando dos iones H+(aq), mientras que
el citocromo b6f transfiere cuatro iones H+(aq) (representados
por la flecha vertical del centro de H+(aq) al interior del
tilacoide.
Ambos funcionan como una bomba de protones que transfiere
cuatro iones H+(aq) por cada par de electrones energéticos.
Esto quiere decir que existe un consumo de energía en esta fase de la
fotosíntesis. El ubiquinol al perder sus electrones transfiere dos protones a
la región interna del tilacoide formando otros dos iones H+(aq)
extra. En total, por cada par de electrones son transferidos 4 iones H+(aq)
desde el estroma al interior del tilacoide generando un gradiente de protones
que será empleado posteriormente por una f1f0 ATP sintasa.
Finalmente, los electrones son transferidos a una molécula
de transporte libre llamada plastocianina, que sirve de homologo al citocromo c
en el sentido de que es una molécula soluble en agua, por lo que transmite sus
electrones en el lado interno de la membrana, transfiriendo los electrones al
fotosistema I por el lado interno del tilacoide. Se debe tener en cuenta que
todas las reacciones descritas desde
El fotosistema I s menos complejo que el fotosistema II, en las bacterias verde sulfurosas, la fuente de electrones es una molécula de ácido sulfhídrico, y en los seres vivos equipados con el fotosistema II es una molécula de plastocianina.
Figura 15. Modelo que representa la
organización estructural y funcional del fotosistema I. Abajo se encuentra el
interior del tilacoide y arriba el estroma del cloroplasto. (A) transferencia
de los electrones desde la plastocianina al centro de reacción P700. (2) (3)
(4) (5) cadena de transporte de electrones al interior del fotosistema II. (6)
dos moléculas de ferredoxina que se encargan de reducir el NADP a NADPH.
El fotosistema I funciona a su vez como una cadena de
transporte de electrones, y del mismo modo que en el fotosistema anterior, la
carga de energía solo se produce una vez en el centro de reacción llamado P700.
El proceso inicia con la captura de un fotón por parte de la antena, la cual
transfiere la energía de forma vibracional al centro de reacción. Cuando el
centro de reacción captura energía, emite un electrón cargado hacia un aceptor
de electrones llamado
El electrón es finalmente transferido a la ferrodoxina, una
pequeña proteína de hierro-sulfuro que es externa al complejo fotosintético I.
Cuando dos moléculas independientes de ferrodoxina han aceptado un electrón,
actúan como un dímero que reduce una molécula de NADP+. El NADP+
es entonces cargado con un par de electrones fotosintéticos y al mismo tiempo
capta un protón, de los iones protio(1+) circundantes, para formar NADPH.
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El centro de reacción que ha perdido su electrón (P+700)
es restituido de manera directa por la plastocianina sin necesidad de
intermediarios como si ocurre con el fotosistema II.
El fotosistema I de las plantas terrestres consiste en un
centro de reacción compuesto por entre 12 y 14 unidades de polipéptidos y un
complejo periférico de proteínas unidas a los pigmentos de la antena. La
energía lumínica es absorbida por la antena y pasada al centro de reacción P700.
El P700 es un dímero de clorofila a. El primer aceptor de
electrones es un monómero de clorofila denominado A0.
El P+700 es un agente oxidante muy
potente, pero no tanto como P680, esto quiere decir que es
capaz de oxidar moléculas de mayor energía que el agua, como la plastocianina o
el ácido sulfhídrico.
En resumen, los dos fotosistemas cargan dos veces de energía
a los electrones del agua, la primera vez a un nivel suficiente para activar
una bomba de protones, perdiendo parte de su energía en el proceso. En este
punto los electrones portan una energía semejante a los que posee el ácido
sulfhídrico. Esto es lo que le permite al fotosistema I operar en ausencia de
ácido sulfhídrico en las cianobacterias y las plantas. El fotosistema II lleva
los eletrones al nivel en que el fotosistema I puede operar con normalidad.
Este es un ejemplo de como la evolución opera en capas, agregando funciones
extra sobre funciones antiguas que siguen operando de un modo muy parecido,
aunque el resultado final del conjunto sea muy diferente.
Los electrones que pasan a través de la ferredoxina no
siempre terminan reduciendo el NADP+ a NADPH; los seres vivos
fotosintéticos pueden alterar la ruta de los electrones a través de la
ferredoxina. Esto se debe a que los seres vivos no solo necesitan reducir
carbono a moléculas de mayor energía, sino también otros compuestos químicos
inorgánicos como el amoníaco NH3, el grupo nitrato NO3-,
el grupo fosfato PO43- o el grupo sulfhidril SH-,
los cuales son componentes básicos de moléculas biológicas de importancia como
las vitaminas, los nucleótidos y más importante aún, las proteínas. La
capacidad de reducir compuestos inorgánicos simples y estables, a sustancias de
alto peso molecular es una de las habilidades más importantes de los seres
vivos que sirven como productores primarios. El fotosistema I es un mecanismo
que sirve para esta función de múltiples formas.
Aunque a simple vista las plantas son seres vivos muy
diferentes de los seres humanos, es un hecho innegable que la cadena de
transporte de electrones y las reacciones de la fase luminosa comparten
procesos similares. Es por esta razón que muchos herbicidas tienen efectos
tóxicos remanentes que pueden llegar a afectar a las personas. Y el hecho es
que muchos de los herbicidas empleados industrialmente tienen su blanco en los
portadores de electrones de las reacciones lumínicas. Por ejemplo, varios
herbicidas comunes como diuron, atrazina y terbitrin actúan uniéndose a las
proteínas que sostienen el núcleo de reacción del fotosistema II,
específicamente en el punto de unión entre nueva plastoquinona B que viene a
regenerar la que se ha perdido al producir plastoquinol.
Otro herbicida llamado paraquat ha recibido atención
mediática debido a que mata selectivamente las plantas de marihuana, pero sus
residuos son altamente tóxicos para los seres humanos también. El paraquat
interfiere con la función del fotosistema I a la altura de la ferredoxina. El
proceso que trata de desviar a los electrones de alta energía de su objetivo
que es el NADP+ y llevarlos al oxígeno, generando radicales tóxicos
de oxígeno que matan a los cloroplastos y a las células. Debido a que la
ferredoxina y el complejo I de la fotosíntesis poseen una función análoga y
centros de reacción homólogos, también altera la ruta de los electrones en la
cadena de transporte de electrones de los animales, generando igualmente
radicales tóxicos de oxígeno. Los radicales tóxicos de oxígeno matan o
incrementan la tasa de mutaciones, por lo que, aunque una persona expuesta a
bajas dosis de este herbicida no muera, si incrementará su probabilidad de
desarrollar varios tipos de cáncer.
Las reacciones dependientes de la luz discutidas en los anteriores artículos proveen la energía requerida para reducir una gran gama de sustancias inorgánicas, pero es la reducción del dióxido de carbono a azucares la que más llama la atención ya que crea las bases o esqueletos con los que otras sustancias orgánicas pueden ser construidas posteriormente. La reducción de dióxido de carbono a azucares necesita el sacrificio de energía que proviene de dos portadores diferentes, en NADPH que proviene de la primera sección de reacciones de la luz, y de ATP. Se necesitan dos NADPH y dos ATP para sintetizar un mol de carbohidrato (CH2O). Los cloroplastos no emplean ATP exógeno, ellos sintetizan su propio ATP gracias al potencial osmótico acumulado durante el segundo grupo de reacciones de la luz, las cuales ocurren en el citocromo fotosintético b6f.
Figura 16. Diagrama de la
fosforilación cíclica, la cual es probablemente un remanente evolutivo previo a
la evolución del fotosistema II, esto es porque este sistema solo tiene sentido
cuando hay una fuente de electrones de energía media como los del ácido
sulfhídrico.
Durante esta reacción 6 iones H+(aq)
se retiran del estroma del cloroplasto y se posicionan en el interior del
tilacoide "sin contar con los 4 iones H+(aq)
que se forman cuando las dos moléculas de agua son oxidadas por el fotosistema
II", generando un potencial osmótico. A diferencia del potencial generado
en la respiración celular aeróbica que es al mismo tiempo eléctrico y osmótico,
en el cloroplasto es solo osmótico, debido a que el tilacoide emite iones
positivos al estroma durante el proceso de reacciones de la luz para mantener
las cargas estabilizadas. El punto aquí es que la proteína empleada para
sintetizar ATP a partir de este potencial osmótico es homóloga a la f1f0 ATP
sintasa de la respiración celular aeróbica.
El citocromo B6f recibe electrones del
fotosistema II, y el sistema conlleva a la formación de ATP tal como hemos
visto en las secciones anteriores. El proceso que se describe hasta este punto
se denomina fosforilación no cíclica. La fosforilación cíclica fue descrita por
primera vez por Daniel Arnon de la Universidad de California en Berkeley
durante la década de 1950. En la fosforilación cíclica, la f1f0 ATP sintasa
debe operar de manera independiente al fotosistema II. En este proceso, el
fotosistema I opera de manera alternativa, para generar NADPH, o para generar
un gradiente de iones H+(aq). Es denominada
cíclica porque el electrón que sale del centro de reacción
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