Seminario 1: Absorción de la Luz y Transporte Electrónico Fotosintético PDF

SEMINARIO 1: ABSORCIÓN DE LA LUZ Y TRANSPORTE ELECTRÓNICO FOTOSINTÉTICO 1. LA FOTOSÍNTESIS: FOTOSÍNTESIS = síntesis utilizando luz. 2 fases: ▪ Fase luminosa → procesos fotoquímicos. ▪ Fase oscura → aunque también necesita luz. El proceso de fotosíntesis imp...

SEMINARIO 1: ABSORCIÓN DE LA LUZ Y TRANSPORTE ELECTRÓNICO FOTOSINTÉTICO 1. LA FOTOSÍNTESIS: FOTOSÍNTESIS = síntesis utilizando luz. 2 fases: ▪ Fase luminosa → procesos fotoquímicos. ▪ Fase oscura → aunque también necesita luz. El proceso de fotosíntesis implica reacciones de oxidación y reducción: ▪ Oxidación → en el primer paso de la fase luminosa. Hay una oxidación de 1 molécula de agua y el consecuente desprendimiento de oxígeno, que sale por los estromas de la planta a la atmósfera. Gracias a este podemos respirar. ▪ Reducción del CO2, el cual es captado de la atmósfera. Incremento de energía de este proceso es positivo, por lo que para que se lleve a cabo esta reacción global se necesita aporte energético, el cual se obtiene de la luz. En este primer seminario nos vamos a centrar en las reacciones de transformación de energía luminosa en energía química, para obtener poder reductor (NADPH) y energía (ATP) para la fijación efectiva de CO2. ESPECTRO DE ACCIÓN Y ESPECTRO DE ABSORCIÓN: Lo primero que necesita la planta es absorber la luz mediante pigmentos fotosintéticos: ▪ Clorofila → la más protagonista ▪ Carotenoides → papel más secundario. Si hacemos una purificación de los pigmentos fotosintéticos, los aislamos separadamente y medimos la absorbancia, obtendremos un espectro de absorbancia característico de cada pigmento. Las 2 clorofila (a y b) tiene 2 principal pigmento en abs picos característicos: uno en el rojo y otro en el azul. de la luz El espectro de acción es la medida de la tasa de fotosíntesis a diferentes longitudes de onda → no va a ser igualmente elevada a todas las longitudes de onda. Hay una correspondencia de 2 picos muy grandes con los picos de absorbancia de las clorofilas → las clorofila son las protagonistas, donde va a recaer el papel de absorber luz. CLOROFILAS: Estructura molécula de las clorofilas: Poseen un anillo tetrapirrólico + ión magnesio + 2 sustituyentes: polar Ión magnesio → acomplejado con los nitrógenos del anillo tetrapirrólico. Sustituyentes → diferencian la clorofila a de la b. o Aldehído en la clorofila b. hace que tengasn espectros de absorcion distintos o Metilo en la clorofila a. se esterifica con un radical protonilo Otro sustituyente es el fitol → alcohol que consta de una cadena hidrocarbonada y confiere características hidrofóbicas a la clorofila. apolar o La parte hidrofílica (polar) sería el anillo y el ión. Hay una alternancia de enlaces sencillos con dobles enlaces → confiere la propiedad de pigmento, absorber luz a la clorofila. Tipos de clorofilas: Las clorofilas a y b son las que hay en plantas vasculares, pero hay más tipos: - c → diatomeas, algas pardas… - d → algas rojas… CAROTENOIDES: Los carotenoides también son pigmentos fotosintéticos en las estructuras fotosintéticas, y son terpenos de 40 átomos de C con estructura de C-H común central. Además, hay una alternancia de enlaces sencillos con dobles que confiere propiedad de pigmento (absorber luz) y 2 ciclos en los extremos que los diferencian: cada carotenoide tiene si espectro especifico - Los carotenos tienen sólo carbonos e hidrógenos → el más abundante es el β-caroteno. - Las xantofilas tienen oxígeno → las más abundantes son la luteína, violaxantina y neoxantina. LUGAR DE LA FOTOSÍNTESIS – EL CLOROPLASTO: organulo caracteristico d elas plantas vascualres El lugar de la fotosíntesis en la célula es el cloroplasto → orgánulo subcelular con una envuelta constituida por una doble membrana biológica. Estas membranas tienen muchas proteínas transportadoras y van a mediar el intercambio de muchas moléculas entre el interior del cloroplasto y el citosol. El sistema de membranas interior es muy importante y hay 2 disposiciones: las dos membranas median el trafico de sustancias ▪ Apiladas formando una pila llamada “granum”, y el conjunto se llama “grana” → tilacoides granales. ▪ No apiladas → tilacoides estromales. 2. ABSORCIÓN DE LA LUZ: Para que la clorofila pueda absorber la luz y se pueda iniciar el transporte electrónico fotosintéticos, necesita ser excitada. se excita el electron que En la imagen vemos las distintas transiciones ocupa el estado de mayor energía cuando electrónicas posibles en una molécula de clorofila no esta excitada (clorofila a en el ejemplo) cuando absorbe la E de un fotón. Nos interesa la del nivel 3, ya que es un nivel de energía al que va ascender un electrón y que va a permitir el inicio del transporte electrónico, es decir, permite a la clorofila ceder ese electrón → nivel de energía suficiente y duradero (el 1 es suficiente y poco para que sea capaz de ceder un electron duradero y el 4 es duradero pero poco suficiente). la molecula se queda en un estado catiónico P700 y P680 es clorofila en un entorno especial → uno es capaz de usar luz de 700nm y otro de 680. También emiten fluorescencias de diferentes longitudes de onda. la diferencia de energia entre el esrado excitado y fundamenta el identica a.......  ▪ P700 en el PSI → tilacoides estromales → también hay ATP sintasa. ▪ P680 en el PSII → tilacoides granales. PARA LA PRODUCCIÓN DE PODER REDUCTOR TIENEN QUE FUNCIONAR LOS DOS FOTOSISTEMAS (PS) COOPERATIVAMENTE Para la producción de ATP no, puede funcionar uno solo grana--> fotosistema II se diferencian por la luz que pueden asorber estromales --> fotosistema I FOTOSISTEMA II: H2O – PLASTOQUINONA OXIDORREDUCTASA PSII es el primer fotosistema en actuar → macro-complejo formado por muchas proteínas. Las más importantes son: una veintena, embebidas en la membrana del ▪ D1 y D2 (las centrales) → contienen los tilacoide la mayoria cofactores que permiten el transporte casi identicas, codificadas por diferentes electrónico fotosintético. genes y diferentes cadenas peptidicas ▪ Rodeando a D1 y D2 tenemos proteínas más pequeñas sin clorofila. ▪ Alrededor de las anteriores tenemos más proteínas con clorofila (en verde) → actúan como antena, capaces de captar energía luminosa y transferir a excitación al P680.clorofila A se excita y cede electrones ▪ Proteínas de abajo son periféricas y están orientadas al lumen del tilacoides → constituyen el complejo de evolución del oxígeno y facilitan la oxidación del agua, dando O y protones como producto. el resto se excitan y transfieren a las vecinas También tenemos 2 cofactores importantísimos: ▪ Mg es crucial para que la molécula de H2O se descompone a en oxígeno, portones y electrones ▪ Las 2 Tyr también fundamentales. ▪ Las 2 clorofilas también son importantes, el P680 es el protagonista, feofitina es otro cofactor importante (modificación de una clorofila) y QA y QB (quinonas). Los cofactores suelen ir en parejas → las proteínas D1 y D2 son distintas (genes distintos las codifican) pero la estructura que tienen las hacen ser como gemelas una de la otra, y es por ello que tiene los cofactores repetidos. El nombre de este complejo es así porque oxida al agua y reduce a la plastoquinona. FOTOSISTEMA I: PLASTOCIANINA – FERREDOXINA OXIDORREDUCTASA PSI también es un macro-complejo pero tiene menos proteínas: ▪ PsaA y PsaB (las centrales) → proteínas distintas, codificadas por genes distintos y secuencias distintas, pero la estructura es muy parecida, como gemelas. ▪ Proteínas verdes son complejos clorofila-proteína → captan luz, la clorofila se excita y transmite la excitación al P700. median el transporte de electrones Los cofactores que tenemos son: clorofilas de distintos tipos (P700, A y A0) fliloquinonas y 4 grupos de Fe/S (importantes para transporte de electrones). unica capaz de absorber luz, excitarse y ceder electrones Este complejo se llama así porque oxida a la plastocianina y reduce a la ferredoxina. LOS COMPLEJOS ANTENA LHCI Y LHCII: Son conjuntos de proteína-clorofila que captan la luz, se excitan y transfieren la energía a los fotosistemas: - LHCI → PSI → proteínas extrínsecas pegadas al PSI. - LHCII → PSII → proteínas extrínsecas que o está ser pegada, sino que es más móvil y variable. COMPLEJO CITOCROMO b6/f PLASTOQUINOL – PLASTOCIANINA OXIDORREDUCTASA: Se encuentra entre el PSI y el PSII y hace de puente → papel fundamental en el transporte electrónico. Sólo tiene 4 subunidades: ▪ Cyt b6 con 2 grupos hemo → integral de membrana, importante para interacción con la plastoquinona. ▪ Cyt f con un grupo hemo → más periférico y orientado al lumen. ▪ Proteína Rieske → con un grupo prostético con Fe y S. o Tanto los grupos hemo y como los de Fe/S son muy importante para el transporte de electrones. OTROS TRANSPORTADORES CONECTORES ENTRE COMPLEJOS: Entre medias una serie de transportadores de electrones más pequeños: Plastoquinona (PQ): Molécula no muy grande con papel en el transporte electrónico fotosintético y otras funciones. Está embebida en la membrana del tilacoide y es anfipática → le confiere capacidad de moverse dentro de la membrana. Se encuentra entre PSII y el Cyt b6, pero en la membrana. Plastocianina (PC): Entre el Cyt b6 y PSI, hacia el lado del lumen → tiene un átomo de Cu crucial en el transporte electrónico fotosintético. Ferredoxina (Fd): Ligada al PSI en el lado del estroma → muy pequeña y Fe/S como grupo prostético, importante en el transporte electrónico. Ferredoxina – NADP+ reductasa (FNR): FAD como grupo prostético → oxida la ferredoxina y reduce el NADP+ al NADPH (uno de los productos finales del transporte electrónico). EL COMPLEJO ATP SINTASA: Macro-complejo de varias subunidades. ▪ CF0 → inmerso en la membrana del tilacoides y define un canal que permite el paso de protones, que pasan del lumen al estroma (importante en la síntesis ATP). ▪ CF1 → una cabeza formada por 5 subunidades. o Las más grandes y las que soportan al fosforilación del ADP para formar ATP son la α y β. o La γ hace de conector entre CF0 y CF1. DISTRIBUCIÓN DE LOS COMPLEJOS EN LOS TILACOIDES: Membranas tilacoidales apiladas o no apiladas: - Apiladas → tilacoides granales → PSII. - No apiladas → tilacoides estromales → PSI y ATP sintasa. 3. TRANSPORTE ELECTRÓNICO FOTOSINTÉTICO: Todo empieza con la oxidación de una molécula de agua → cede un electrón, un protón y se libera O → el electrón va al transporte electrónico fotosintético. Se necesita un aporte - NADP+/NADPH → – 0.32V energético proporcionado - ½ O/H2O → + 0,82V por la luz En los diagrama en “Z” vemos la diferencia de potencial eléctrico de cada par redox. FOTOLISIS DEL AGUA: Consiste en la rotura de una molécula de agua por acción de la luz y ocurre a nivel del PSII → las proteínas de abajo del PSII )en el lumen) son las que participan en la oxidación de la molécula de agua. Parece ser que. hay un átomo de manganeso que parece ser que pasa por una serie de estados de oxidación sucesivos (estados S) relacionado con la oxidación de la molécula de agua. FOTOSISTEMA II: H2O – PLASTOQUINONA OXIDORREDUCTASA El electrón lo capta el P680 (PSII), el cual va a absorber la energía de un fotón de luz y, al hacerlo, 1 de los electrones de la molécula de “clorofila a” van a subir de nivel energético, pasando de un estado fundamental a un estado excitado (P680*). En este estado excitado es capaz de ceder un electrón suyo y ser cedido a otra molécula, pasando a la feofetina → Qa → Qb → plastoquinona, con 2 grupos ceto que se transforman en grupos hidroxilo y se pasa a llamar plastoquinol. Las Tyr del P680 ayudan a reponer el electrón perdido COMPLEJO CITOCROMO b6/f PLASTOQUINOL – PLASTOCIANINA OXIDORREDUCTASA: El plastoquinol se va a oxidar y va a perder 2 electrones → cada electrón irá hacia un lado, constituyendo lo que se conoce como el ciclo Q: ▪ Uno de los electrones es cedido al grupo Fe/S de la proteína Rieske → Cyt f → lumen → reduce a la plastocianina. ▪ El otro electrón va por el Cyto b6, por sus grupos hemo → va a reducir parcialmente a una molécula de plastoquinona que va a estar oxidada (para  reducirse necesita 2 electrones pero sólo recibe 1, por lo que de momento está parcialmente reducida y es una semiquinona). En un segundo ciclo recibe un segundo electrón y se reduce del todo. Con el ciclo Q conseguimos rereducir a la plastoquinona y liberar protones al lumen del tilacoide (fundamental para la síntesis de ATP). La acumulación constante de protones en el lumen genera uns diferencia muy gran de pH (básico en el estroma y ácido en el lumen) → hay una diferencia de portones del lumen con respecto al estroma de unas 3.000 veces, generando un gradiente de protones → fuerza portón-motriz necesaria para la síntesis de ATP. al acumularse proteínas e ek lumen el pH disminuye mientras que en el estroma aumenta generando una fuerza proton-motriz FOTOSISTEMA I: PLASTOCIANINA – FERREDOXINA OXIDORREDUCTASA La plastocianina que esta reducida se vuelve a oxidar y cede su electrón al P700 (PSI). Capta la energía de un fotón de luz y excita la molécula de P700 a P700*, siendo capaz de ceder un electrón a la “clorofila A0” → flioquinona → diferentes grupos de Fe/S → ferredoxina: hemos pasado los electrones del lumen al estroma. REDUCCIÓN DEL NADP+ A NADPH Y SÍNTESIS DE ATP: Para reducir NADP+ a NADPH se necesitan electrones (de la ferredoxina) y protones (del estroma). Esto provoca un aumento de la diferencia del gradiente de protones, no porque aumenten los portones en el lumen, sino porque disminuyen en el estroma. El NADP se queda en el estroma, donde se va a utilizar. El gradiente de protones creado es utilizado como fuerza portón-motriz que suministra la energía necesaria para la síntesis de ATP catalizada por la ATP sintasa. FOTOFOSFORILACIÓN: Fotofosforilación no cíclica: 1) La subunidad CF0 de la ATP sintasa actuaría como un canal que permitiría el paso regulado de los portones desde el lumen al estroma utilizando la energía portón- motriz para moverse modo de rotor. 2) Este movimiento de giro originado en el CF0 al pasar los portones se transmite al dominio CF1 situado en el estroma. 3) Ello induce cambios de conformación en la cabeza de la ATP sintasa que posibilitan la catálisis enzimática de unión de ADP y Pi para formar una molécula de ATP. Se sabe que la subunidad CF0 tiene que traslocar 3 protones/ molécula de ATP. Fotofosforilación cíclica: La fotosoforilación cíclica es independiente del PSII → sólo participa el PSI y el citocromo b6/f → para generar poder reductor necesitamos los 2 fotosistemas pero para generar ATP no. ▪ Parece ser que hay 2 vías o PGRL1/PGR5. o A través del complejo NDH. ▪ Esto ocurre porque una célula no tiene igual demanda de ATP que de poder reductor → a veces necesita más ATP que poder reductor, dándole esa plasticidad para poder sintetizar más o menos un producto según lo necesite. Se necesitan 8 protones para el proceso globalmente