Centro de reacción fotosintética, La transformación de la energía luminosa en separación de cargas, Bacteria, Las plantas verdes





Un centro de reacción fotosintética es un complejo de varias proteínas, pigmentos y otros co-factores ensamblados juntos para ejecutar las reacciones de conversión de energía primaria de la fotosíntesis. Excitaciones moleculares, ya sea procedente directamente de la luz solar o transferidos en forma de energía de excitación a través de sistemas de antenas captadoras de luz, dan lugar a reacciones de transferencia de electrones a lo largo de una serie de co-factores unido a proteínas. Estos cofactores son moléculas que absorben la luz tales como clorofila y feofitina, así como quinonas. La energía del fotón se utiliza para promover un electrón a un nivel de energía molecular más alto de un pigmento. La energía libre creado se utiliza para reducir una cadena de aceptores de electrones cercanos, que tienen posteriormente más altos potenciales redox. Estos pasos de transferencia de electrones son la fase inicial de una serie de reacciones de conversión de energía, lo que se traduce en la producción de energía química durante la fotosíntesis.

La transformación de la energía luminosa en separación de cargas

Centros de reacción están presentes en todas las plantas verdes, algas, y muchas bacterias. A pesar de estas especies están separadas por miles de millones de años de evolución, los centros de reacción son homólogos de todas las especies fotosintéticas. Por el contrario, existe una gran variedad en los complejos captadores de luz entre las especies fotosintéticas. Las plantas verdes y las algas tienen dos tipos diferentes de centros de reacción que forman parte de supercomplexes más grandes conocidas como Fotosistema I y Fotosistema II P700 P680. Las estructuras de estos supercomplexes son grandes, que implica múltiples complejos captadores de luz. El centro de reacción encontrado en bacterias Rhodopseudomonas Actualmente se entiende mejor, ya que era el primer centro de reacción de estructura conocida y tiene un menor número de cadenas de polipéptidos que los ejemplos en las plantas verdes.

Un centro de reacción está diseñada de tal manera que captura la energía de un fotón usando moléculas de pigmento y la convierte en una forma utilizable. Una vez que la energía de la luz ha sido absorbida directamente por las moléculas de pigmento, o que se les pasa por la transferencia de resonancia de un complejo captador de luz que rodea, liberan dos electrones en una cadena de transporte de electrones.

La luz está compuesta de pequeños paquetes de energía llamados fotones. Si un fotón con la cantidad correcta de energía realiza un electrón, se elevará el electrón a un nivel de energía más alto. Los electrones son más estables en su nivel más bajo de energía, lo que también se conoce su estado fundamental. En este estado, el electrón se encuentra en la órbita que tiene la menor cantidad de energía. Los electrones en los niveles de energía más altos pueden volver a estado fundamental de una manera análoga a una pelota que cae abajo de una escalera. De este modo, los electrones liberan energía. Este es el proceso que se explota por un centro de reacción fotosintética.

Cuando un electrón se eleva a un nivel superior de energía, disminución en el potencial de reducción de la molécula en la que se produce el reside electrones. Esto significa que la molécula tiene una mayor tendencia a donar electrones, la clave para la conversión de la energía luminosa en energía química. En las plantas verdes, la cadena de transporte de electrones que sigue tiene muchas aceptores de electrones incluyendo feofitina, quinona, plastoquinona, citocromo bf, y ferredoxina, que resultan en la reducción de NADPH molécula. El paso de los electrones a través de la cadena de transporte de electrones también se traduce en el bombeo de protones a partir de estroma del cloroplasto en el lumen, lo que resulta en un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide que se puede utilizar para sintetizar ATP mediante la ATP sintasa. Tanto el ATP y NADPH se utilizan en el ciclo de Calvin para fijar el dióxido de carbono en azúcares triosa.

Bacteria

Estructura

El centro de reacción fotosintético bacteriano ha sido un importante modelo para comprender la estructura y la química del proceso biológico de la captura de energía de la luz. En la década de 1960, Roderick Clayton fue el primero para purificar el complejo del centro de reacción a partir de bacterias púrpura. Sin embargo, la primera estructura cristalina fue determinada en 1982 por Hartmut Michel, Johann Deisenhofer y Robert Huber para los que compartieron el Premio Nobel en 1988. Esto también fue significativa, ya que era la primera estructura para un complejo de proteínas de membrana.

Se encontraron cuatro subunidades diferentes que son importantes para la función del centro de reacción fotosintética. Las subunidades L y M, que se muestran en azul y púrpura en la imagen de la estructura, tanto lapso de la bicapa lipídica de la membrana plasmática. Ellos son estructuralmente similares entre sí, teniendo ambos 5 hélices alfa transmembrana. Cuatro moléculas de bacterioclorofila b, dos bacteriophaeophytin b moléculas moléculas, dos quinonas, y un ion ferroso se asocian con la L y M subunidades. La subunidad H, que se muestra en oro, se encuentra en el lado citoplásmico de la membrana plasmática. Una subunidad citocromo, aquí no se muestra, contiene cuatro haems de tipo C y se encuentra en la superficie periplásmico de la membrana. Este último sub-unidad no es un motivo estructural general en las bacterias fotosintéticas. La L y M subunidades se unen los cofactores funcionales y la luz que interactúa, mostradas aquí en verde.

Centros de reacción de diferentes especies bacterianas pueden contener bacterio-clorofila y bacterio-feofitina cromóforos ligeramente alterados como funcional cofactores. Estas alteraciones causan cambios en el color de la luz que puede ser absorbida, creando así nichos específicos para la fotosíntesis. El centro de reacción contiene dos pigmentos que sirven para recoger y transferir la energía a partir de la absorción de fotones: BChl y HPB. BChl se asemeja más o menos la molécula de clorofila que se encuentra en las plantas verdes, pero, debido a las diferencias estructurales menores, su longitud de onda de absorción máxima se desplaza en el infrarrojo, con longitudes de onda como a largo como 1000 nm. Bph tiene la misma estructura que BChl, pero el ion magnesio central se sustituye por dos protones. Esta alteración provoca tanto un cambio de absorbancia máxima y un potencial redox reducido.

Mecanismo

El proceso se inicia cuando la luz es absorbida por dos moléculas de BChl que se encuentran cerca del lado periplásmico de la membrana. Este par de moléculas de clorofila, a menudo llamado el "par especial", absorbe fotones entre 870 nm y 960 nm, dependiendo de la especie y, por tanto, se denomina P870 o P960, con P que significa "pigmento"). Una vez que P absorbe un fotón, se expulsa un electrón, que se transfiere a través de otra molécula de BChl a la BPh en la subunidad L. Esta separación de carga inicial se obtiene una carga positiva en P y una carga negativa en la HBP. Este proceso se lleva a cabo en 10 picosegundos.

Los cargos en la specialpair y el BPh-podría pasar por la recombinación de carga en este estado. Esta sería una pérdida de electrones de alta energía, y convertir la energía de la luz absorbida en calor. Varios factores de la estructura de centro de reacción sirven para evitar esto. En primer lugar, la transferencia de un electrón de BPh a P960 es relativamente lento en comparación con otros dos reacciones redox en el centro de reacción. Las reacciones más rápidas implican la transferencia de un electrón de BPh a la quinona aceptora de electrones, y la transferencia de un electrón a P960 desde un hemo en la subunidad citocromo encima del centro de reacción.

El electrón de alta energía que reside en la fuertemente unido molécula de quinona QA se transfiere a una molécula de quinona intercambiable QB. Esta molécula se asocia vagamente con la proteína y es bastante fácil de separar. Dos de los electrones de alta energía son necesarios para reducir totalmente QB a QH2, teniendo hasta dos protones desde el citoplasma en el proceso. La reducción de quinona Dh2 difunde a través de la membrana a otro complejo de proteínas en el que se oxida. En el proceso el poder reductor de la QH2 se utiliza para bombear protones a través de la membrana hacia el espacio periplásmico. Los electrones del citocromo bc1-complejo se transfieren a continuación a través de un intermedio soluble en citocromo c, llamado citocromo c2, en el periplasma de la subunidad citocromo. Por lo tanto, el flujo de electrones en este sistema es cíclico.

Las plantas verdes

Fotosíntesis oxigénica

En 1772, el químico Joseph Priestley llevó a cabo una serie de experimentos relacionados con los gases implicados en la respiración y la combustión. En su primer experimento, encendió una vela y la puso debajo de un frasco hacia arriba. Después de un corto período de tiempo, la vela quemada. Se llevó a cabo un experimento similar con un ratón en el espacio reducido de la vela encendida. Él encontró que el ratón murió poco tiempo después de que la vela se había apagado. Sin embargo, podría revivir el aire viciado por la colocación de las plantas verdes en la zona y las expone a la luz. Observaciones de Priestley, fueron algunos de los primeros experimentos que demostraron la actividad de un centro de reacción fotosintética.

En 1779, Jan Ingenhousz llevó a cabo más de 500 experimentos repartidas en 4 meses, en un intento de entender lo que realmente estaba pasando. Escribió a sus descubrimientos en un libro titulado Experimentos sobre Vehículos. Ingenhousz tomó las plantas verdes y les sumerge en agua dentro de un tanque transparente. Se observó muchas burbujas que suben desde la superficie de las hojas cuando las plantas se expusieron a la luz. Ingenhousz recogió el gas que se desprende por las plantas y realizó varias pruebas diferentes en un intento de determinar cuál era el gas. La prueba que finalmente se revela la identidad del gas estaba colocando un cono humeante en la muestra de gas y que tiene que volver a encender. Esta prueba demostró que era oxígeno, o, como Joseph Priestley había llamado, "aire de-flogisticado '.

En 1932, el profesor Robert Emerson y un estudiante universitario, William Arnold, utilizaron una técnica de flash de repetición para medir con precisión pequeñas cantidades de oxígeno evolucionó por la clorofila en las algas Chlorella. Su experimento demostró la existencia de una unidad fotosintética. Gaffron y Wohl tarde interpretaron el experimento y se dieron cuenta de que la luz absorbida por el aparato fotosintético fue trasladado. Esta reacción se produce en el centro de reacción del fotosistema II y se lleva a cabo en las plantas de las cianobacterias, algas y verde.

Fotosistema II

Fotosistema II es el fotosistema que genera los dos electrones que eventualmente reducir el NADP en ferredoxina-NADP reductasa. Fotosistema II está presente en las membranas tilacoides dentro de los cloroplastos, el sitio de la fotosíntesis en las plantas verdes. La estructura del Fotosistema II es notablemente similar a la del centro de reacción bacteriana, y se tiene la teoría de que comparten un ancestro común.

El núcleo del fotosistema II consiste en dos subunidades denominadas D1 y D2. Estas dos subunidades son similares a la L y M subunidades presentes en el centro de reacción bacteriana. Fotosistema II difiere del centro de reacción bacteriana, ya que tiene muchas subunidades adicionales que se unen clorofilas adicionales para aumentar la eficiencia. La reacción general catalizada por el fotosistema II es:

Q representa plastoquinona, la forma oxidada de P. QH2 representa plastoquinol, la forma reducida de Q. Este proceso de reducción de quinona es comparable a la que se lleva a cabo en el centro de reacción bacteriana. Fotosistema II electrones obtiene mediante la oxidación de agua en un proceso llamado fotólisis. El oxígeno molecular es un subproducto de este proceso, y es esta reacción que suministra la atmósfera con oxígeno. El hecho de que el oxígeno de las plantas verdes se originó a partir de agua se dedujo por primera vez por el canadiense-estadounidense de origen bioquímico Martin David Kamen. Se utiliza una, isótopo estable natural de oxígeno, O18 a trazar el camino del oxígeno, a partir de agua a oxígeno molecular gaseoso. Esta reacción es catalizada por un centro reactivo en el fotosistema II, que contiene cuatro iones de manganeso.

La reacción comienza con la excitación de un par de moléculas de clorofila similares a aquellos en el centro de reacción bacteriana. Debido a la presencia de clorofila a, a diferencia de bacterioclorofila, fotosistema II absorbe luz a una longitud de onda más corta. El par de moléculas de clorofila en el centro de reacción se hace referencia a menudo como P680. Cuando el fotón ha sido absorbido, el electrón de alta energía resultante se transfiere a una molécula feofitina cerca. Esto está por encima y a la derecha de la pareja en el diagrama y es de color gris. El electrón viaja de la molécula feofitina a través de dos moléculas plastoquinonas, el primero fuertemente unido, el segundo débilmente ligados. La molécula fuertemente unido se muestra por encima de la molécula feofitina y es de color rojo. La molécula es débilmente unida a la izquierda de esta y es también de color rojo. Este flujo de electrones es similar a la del centro de reacción bacteriana. Dos electrones están obligados a reducir completamente la molécula plastoquinona débilmente unida a QH2, así como la absorción de dos protones.

La diferencia entre el centro de reacción del fotosistema II y bacteriana es la fuente del electrón que neutraliza el par de moléculas de clorofila a. En el centro de reacción bacteriana, se obtiene el electrón de un grupo hemo compuesto reducido en una subunidad del citocromo o de una proteína citocromo-c-soluble en agua.

Separación de carga Una vez fotoinducido ha tenido lugar, la molécula P680 lleva una carga positiva. P680 es un oxidante muy fuerte y extractos de electrones a partir de dos moléculas de agua que están unidas en el centro de manganeso directamente por debajo del par. Este centro, por debajo y a la izquierda de la pareja en el diagrama, contiene cuatro iones de manganeso, un ión de calcio, un ion cloruro, y un residuo de tirosina. El manganeso es eficaz, ya que es capaz de existir en cuatro estados de oxidación: Mn2 , Mn3 , Mn4 y MN5. El manganeso también forma enlaces fuertes con las moléculas que contienen oxígeno tales como el agua.

Cada vez que el P680 absorbe un fotón, que emite un electrón, la obtención de una carga positiva. Esta carga se neutraliza por la extracción de un electrón desde el centro de manganeso, que se encuentra directamente debajo de él. El proceso de oxidación de dos moléculas de agua requiere cuatro electrones. Las moléculas de agua que se oxidan en el centro de manganeso son la fuente de los electrones que reducen las dos moléculas de Q para QH2. Hasta la fecha, esta disociación del agua centro catalítico no puede ser reproducido por cualquier catalizador hecho por el hombre.

Fotosistema I

Después de que el electrón ha dejado fotosistema II se transfiere a un complejo citocromo b6f y luego a plastocianina, una proteína azul de cobre y portador de electrones. El complejo plastocianina lleva el electrón que neutralizar el par en el próximo centro de reacción, fotosistema I.

Al igual que con el fotosistema II y el centro de reacción bacteriana, un par de moléculas de clorofila a separación de carga inicia fotoinducido. Este par se conoce como P700. 700 es una referencia a la longitud de onda en la que las moléculas de clorofila absorben la luz al máximo. El P700 se encuentra en el centro de la proteína. Una vez fotoinducido separación de carga se ha iniciado, el electrón viaja por un camino a través de una molécula de clorofila a situado directamente por encima de la P700, a través de una molécula de quinona situado directamente encima de que, a través de tres grupos 4Fe-4S, y, finalmente, a un complejo de ferredoxina intercambiables. La ferredoxina es una proteína soluble que contiene un clúster de 2Fe-2S coordinado por cuatro residuos de cisteína. La carga positiva a la izquierda en el P700 se neutraliza por la transferencia de un electrón de plastocianina. Por lo tanto la reacción general catalizada por el fotosistema I es:

La cooperación entre los fotosistemas I y II crea un flujo de electrones a partir de H2O al NADP . Este camino se llama el "Z-plan" porque el esquema redox de P680 a P700 se asemeja a la letra z.