jueves, 18 de mayo de 2017

5 REACCIONES DE LA LUZ 2, CADENA DE TRANSPORTE Y FOTOFOSFORILACIÓN

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 y será expulsado de la célula, el ion protio(1+) 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. El objetivo de este flujo será permitir el transporte de más iones protio(1+) al interior con el consecuente aumento en acides, osmolaridad y diferencia de potencial eléctrico.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

5.1 Citocromo fotosintético b6f

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. Ambos funcionan como una bomba de protones que transfiere cuatro iones protio(1+) 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 protio(1+) extra. En total, por cada par de electrones son transferidos 4 iones protio(1+) desde el estroma al interior del tilacoide generando un gradiente de protones que será empleado posteriormente por una f1f0 ATP sintetasa.

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 Pheo hasta el fotosistema I son exergónicas, por lo que los electrones han perdido energía durante todo su viaje hasta este punto, sin embargo una vez llegan al fotosistema I y a su centro de reaccuión P700 ocurre nuevamente una carga de energía.

"arriba" el estroma del cloroplasto, "abajo" el interior del tilacoide. PQ transfiere dos protones al interior del tilacoide formando dos iones protio(1+), mientras que el citocromo b6f transfiere cuatro iones protio(1+) (representados por la flecha vertical del centro de 4H+) al interior del tilacoide.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).


5.2 Fotosistema I en la cadena de transporte de electrones fotosintética

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. 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 cetro de reacción captura energía emite un electrón cargado hacia un aceptor de electrones llamado A1, y posteriormente a varios grupos prostéticos de hierro-sulfuro denominados consecutivamente Fx, FA y FB, los cuales se encuentran unidos por una proteína periférica en la cara que da al estroma.

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. 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. El centro de reacción que ha perdido su electrón (P700+) es restituido de manera directa por la plastocianina sin necesidad de intermediarios como si ocurre con el fotosistema II.

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.


5.2.1 El fotosistema I de los vegetales terrestres

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. P700 es un dímero de clorofila a. El primer aceptor de electrones es un monómero de clorofila denominado A0. P700+ 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.


5.2.2 El fotosistema I, la reducción de nitrógeno y azúfre

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, el grupo nitrato (-), el grupo fosfato (-2) o el grupo sulfhidril, 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.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

5.3 Agrotóxicos

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 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 se 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, 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 bajos dosis de este herbicida no muera, si incrementará su probabilidad de desarrollar varios tipos de cáncer.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

5.4 Fotofosforilación

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 primer 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.

Durante esta reacción 6 iones protio(1+) se retiran del estroma del cloroplasto y se posicionan en el interior del tilacoide "sin contar con los 4 iones protio(1+) 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 sintetasa 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 los artículos 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 sintetasa 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 protio(1+). Es denominada cíclica porque el electrón que sale del centro de reacción P700 se dirige a la ferredoxina regresa nuevamente al centro  de reacción via el plastoquinol.

En otras palabras, la ferredoxina puede ejecutar la misma función de la plastoquinona A, es decir, transferir electrones a la plastoquinona B, solo que a diferencia de la plastoquinona A que lo hace de manera fija, la ferredoxina emplea ala plastoquinona que se encuentra diluida en la membrana. Una vez la plastoquinona recibe el electrón cargado lo lleva al citocromo fotosintético donde el proceso sigue normalmente.

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.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

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