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Fotosíntesis: proceso biológico por el que plantas, algas y bacterias fotosintéticas utilizan energía
lumínica para sintetizar compuestos orgánicos. En la mayoría de los casos se libera O2 y se toma CO2 de la atmósfera para la biosíntesis de hidratos de carbono y otros compuestos carbonados.Biomoléculas en la etapa lumínica de la Fotosíntesis
Productos de etapa lumínica: ATP y NADPH
Las reacciones asociadas a la formación de enlaces C-C de la etapa biosintética se pueden producir en ausencia de luz (etapa oscura) utilizan los productos de la etapa lumínica para la síntesis de glúcidos y otros metabolitos.
Joseph Priestley (siglo XVIII) descubrió la existencia de O2, sugirió que las plantas verdes desprendían O2 pero no lo relacionó con la absorción de luz.
Robert Mayer: la luz solar aporta la energía para la fotosíntesis Etapa lumínica. Antecedentes históricos
172 2 CH3CHOH CH3 + CO2 (CH2O) + 2 CH3COCH3 + H2 O
Organismos fotosintéticos que generan oxígeno: Muchos organismos vivos utilizan agua como dador de electrones y de hidrógeno para reducir a varios aceptores electrónicos liberando O2 en el proceso.
Organismos fotosintéticos que no generan oxígeno: Bacterias fotosintéticas que no utilizan agua como dador de electrones. Las bacterias verdes y purpúreas del azufre utilizan sulfuro de hidrógeno.
Otras bacterias purpúreas utilizan isopropanol
luz
CO2 + H2O luz O2 + (CH2O)
2 H2S + CO2 luz (CH2O) + H2 O + 2 S
Las reacciones de fotosíntesis anteriores son semejantes, en todas el aceptor es CO2
H2D: dador de electrones, D forma oxidada del dador
Organismos fijadores de N: compuestos del N pueden aceptar electrones reduciéndose a NH3
H2D + A Hluz 2A + D 9 H2D + 2 NO3- 2 NH
3 + 6 H2 O + 9 D
luz
3 H2D + N2 luz 2 NH3 + 3 D
Los cloroplastos aislados liberan O2 por acción de la luz en presencia de un aceptor electrónico artificial (A). CO2 no interviene en la etapa luminosa, se reduce a hexosa en una etapa posterior.
Reacción de Hill
(1951)H2O + A Hluz 2A + ½ O2
Ecuación general
H
2O + NADP
+NADPH + H
++ ½ O
2luz
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La fotosíntesis es un proceso endergónico, durante el cual los e- pasan de un nivel bajo a uno mayor de
energía potencial debido al aporte de energía lumínica. Existe, sin embargo, una etapa en que los
e
- semueven hacia niveles más bajos de energía, generando FPM utilizada por ATPsintasas para síntetizar de ATP (acoplamiento quimiosmótico). A mediados del siglo pasado se probó que cloroplastos aislados en presencia de ADP y Pi producen ATP expuestos a la luz.
Fotofosforilación:
formación de ATP acoplada al transporte fotoinducido de electrones, es un mecanismo de conservación de la energía luminosa absorbida.Absorción de luz
Luz visible:
Forma de radiación electromagnética (longitud
de onda
λ
λ
λ
λ
400 -700 nm) que se propaga en
forma corpuscular en cuantos o fotones.
La capacidad de un compuesto para absorber
fotones depende de su estructura química.
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Estado excitado: algunos electrones de un átomo o molécula se elevan a niveles
superiores de energía por absorción de la energía de un fotón. Dado que la absorción
de energía lumínica no ocurre en forma continua sino cuantizada, sólo fotones de
cierta longitud de onda (
λ
) pueden llavarlos al estado excitado .
Una molécula excitada puede retornar a su estado inicial con emisión de energía,
como luz (fluorescencia) o calor, o bien transmitiéndola a otra molécula.
Pigmentos fotosintéticos
Clorofilas a y b (verdes) en plantas superiores. Clorofilas a y c en algas pardas y diatomeas. Máximos de absorción de clorofila a pura 663 y 420 nm, en células intactas: 660, 670, 678, 685 nm, (interacción con las proteínas a las que se asocia en la célula vegetal.
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OH
HO
luteína β−caroteno
retinal (bacterias)
C H
O
Tanto en vegetales superiores como en algas fotosintéticas (verdes, rojas, pardas o púrpuras) hay
pigmentos accesorios:
Carotenos pigmentos amarillos, rojos o púrpuras.
Xantófilas carotenoides semejantes a los carotenos con un grupo hidroxilo en los anillos terminales.
Membrana tilacoide:
discos apilados (grana), predomina PSII,
zonas de mayor contacto con el estroma, predomina PSI.
Fotosistemas formados por un centro de reacción fotoquímica, que incluye moléculas transportadoras de e-, y un complejo antena
o centro cosechador de energía (Lhc ) que incluye asociaciones proteína-pigmento.
Ubicación de los pigmentos fotosintéticos (membrana tilacoide)
Fotosistemas: PSIy PSII (vegetales superiores) interactúan para producir altas velocidades de desprendimiento de oxígeno, dos conjuntos de reacciones luminosas ocurren
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Fotosistema I (PSI): Complejo proteico central (incluye el centro de reacción P700 y alrededor de 90 moléculas de clorofila a) rodeado por complejos Lhc con sitios fijadores para ambas clorofilas (a y b). Bacterias fotosintéticas tienen un solo fotosistema (semejante al I) no desprenden oxígeno, PSI surgió primero en la evolución, la capacidad de utilizar agua como reductor se desarrolló más tarde junto con el PSII, responsable del desprendimiento de oxígeno
Fotosistema II (PSII):estructura central formada por proteínas CP43 y CP47 fijadoras de clorofila a, asociadas al complejo proteico D1/D2 del centro de reacción P680, rodeada por complejos Lhc.
LhcII (o Lhc2) trímero que se ubican rodeando el centro de reacción del fotosistema, constituye la mitad del contenido proteico de membrana tilacoide. Cada cadena formada por tres hélices transmembrana fija una docena de moléculas de clorofilas a y b y dos moléculas de carotenos.
Mecanismo de resonancia Förster: transferencia eficiente de energía de un pigmento a otro, sólo posible debido a la
proximidad entre pigmentos ubicados en
la orientación adecuada y cuyos espectros
de absorción deben superponerse.
Centros cosechadores de energía (Lhc)
caroteno
clorofila
182 P700 en PSI, que contiene clorofila a asociada a un tipo específico de proteína
P680en PSII que contiene clorofila a asociada a una proteína diferente. Centros de reacción
Centro de reacción de PSII
Fdx Fdx -ferrosulfoproteína soluble
filoquinona
clorofila a
proteína cúprica soluble estroma
lume n Fdx Fdx -ferrosulfoproteína soluble
filoquinona
clorofila a
proteína cúprica soluble estroma
lume n
Centro de reacción de PSI
estroma lume n Fe estroma lume n Fe Fe
Los centros de reacción contienen un dímero de moléculas de clorofila a capaces de oxidarse, además de otros aceptores electrónicos. El dímero es específico de cada centro de reacción.
Durante la etapa lumínica un e-es transferido de una de las moléculas del dímero a una molécula de
En este proceso la energía lumínica absorbida permite fluir los electrones en contra del gradiente normal de potenciales estándar de óxido-reducción (E0), es decir desde el agua hasta el NADP+.
Fotofosforilación acíclica
Esquema Z : Los electrones provenientes de la fotólisis del agua reducen el NADP+ a NADPH .
En la etapa entre P y P los e-son transferidos de un transportador con > E a otro con < E
NADPH
184 estroma lumen Pi Fo F1 Fdx -Fdx estroma lumen Pi Fo F1 Fdx -Fdx Fdx
Cuatro complejos proteicos de la membrana tilacoide intervienen en la fotofosforilación acíclica: PSII, PSI, citocromo b6 f y ATPsintasa.
La plastoquinona liposoluble transporta e-de un cara a la otra de la membrana, aumentado la
concentración de protones en el lumen. Laplastocianina hidrofílica
PC(Cu
+2)
es reducida porcit
b
6f
aPC(Cu
+1)
y se desplaza por el lumen para reducir al P700 oxidado por acción de la luz.
Ferredoxina (Fdx), hierro-sulfo proteína soluble del estroma acepta
e
- de PSI y los transfiere alFAD, cofactor de la enzima ferredoxin-NADP+ reductasa FNRque finalmente los transfiere al
NADP+ reduciéndolo a NADPH.
Fotofosforilación cíclica.
En la membrana tilacoide puede ocurrir, por acción de la luz, una forma de transporte cíclico de e-. Este mecanismo parece estar directamente relacionado con la necesidad de
ATP para fijar CO2 . .En este proceso sólo actúa PSI. Se cree que Fdx actúa como
