Clorofilida

Compuesto químico

La clorofilida a y la clorofilida b son los precursores biosintéticos de la clorofila a y la clorofila b respectivamente. Sus grupos de ácido propiónico son convertidos en ésteres de fitilo por la enzima clorofila sintasa en el paso final de la vía. Por lo tanto, el principal interés en estos compuestos químicos ha sido el estudio de la biosíntesis de clorofila en plantas , algas y cianobacterias . La clorofilida a es también un intermediario en la biosíntesis de bacterioclorofilas . ^{[1] [2]}

Estructuras

Clorofilida a , (R=H). En la clorofilida b , el grupo metilo que se muestra en el recuadro verde se reemplaza por un grupo formilo.

La clorofilida a es un ácido carboxílico (R=H). En la clorofilida b , el grupo metilo en la posición 13 ( numeración IUPAC para la clorofilida a ) y resaltado en el recuadro verde, se reemplaza por un grupo formilo .

La biosíntesis avanza hasta la formación de protoporfirina IX

En los primeros pasos de la biosíntesis, que comienza a partir del ácido glutámico , las enzimas desaminasa y cosintetasa crean un tetrapirrol que transforma el ácido aminolevulínico a través del porfobilinógeno y el hidroximetilbilano en uroporfirinógeno III . Este último es el primer intermediario macrocíclico común al hemo , el sirohemo , el cofactor F 430 , la cobalamina y la propia clorofila. ^[3] Los siguientes intermediarios son el coproporfirinógeno III y el protoporfirinógeno IX , que se oxida a la protoporfirina IX, totalmente aromática . La inserción de hierro en la protoporfirina IX, por ejemplo en los mamíferos, da hemo, el cofactor transportador de oxígeno en la sangre, pero las plantas combinan magnesio en su lugar para dar, después de otras transformaciones, clorofila para la fotosíntesis. ^[4]

Biosíntesis de clorofilidas a partir de protoporfirina IX

Los detalles de las últimas etapas de la ruta biosintética de la clorofila difieren en las plantas (por ejemplo, Arabidopsis thaliana , Nicotiana tabacum y Triticum aestivum ) y bacterias (por ejemplo, Rubrivivax gelatinosus y Synechocystis ) en las que se ha estudiado. Sin embargo, aunque los genes y las enzimas varían, las reacciones químicas involucradas son idénticas. ^{[1] [5]}

Inserción de magnesio

El magnesio se inserta en la protoporfirina IX

La clorofila se caracteriza por tener un ion magnesio coordinado dentro de un ligando llamado clorina . El metal se inserta en la protoporfirina IX por la enzima quelatasa de magnesio ^[1] que cataliza la reacción EC 6.6.1.1

protoporfirina IX + Mg²⁺
+ ATP + H
₂O ADP + fosfato + Mg-protoporfirina IX + 2 H ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ ⁺

Esterificación del grupo propionato del anillo C

El siguiente paso hacia las clorofilidas es la formación de un éster metílico (CH ₃ ) en uno de los grupos propionato, que es catalizada por la enzima protoporfirina IX de magnesio metiltransferasa ^[6] en la reacción de metilación EC 2.1.1.11.

Mg-protoporfirina IX + S-adenosilmetionina Mg-protoporfirina IX 13-metil éster + S-adenosil-L-homocisteína ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

De la porfirina a la clorina

El sistema de anillo de clorina se forma cuando la cadena lateral de propionato esterificado se cicla en el anillo principal de porfirina para formar divinilprotoclorofilida.

El sistema de anillo de clorina presenta un anillo de carbono de cinco miembros E que se crea cuando uno de los grupos propionato de la porfirina se cicla al átomo de carbono que une los anillos de pirrol originales C y D. Una serie de pasos químicos catalizados por la enzima éster monometílico (oxidativo) ciclasa de protoporfirina IX de magnesio ^[7] da la reacción general EC 1.14.13.81

Éster 13-monometílico de protoporfirina Mg IX + 3 NADPH + 3 H ⁺ + 3 O ₂ divinilprotoclorofilida + 3 NADP ⁺ + 5 H ₂ O ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

En la cebada, los electrones son proporcionados por la ferredoxina reducida , que puede obtenerlos del fotosistema I o, en la oscuridad, de la ferredoxina—NADP(+) reductasa : la proteína ciclasa se llama XanL y está codificada por el gen Xantha-l . ^[8] En organismos anaeróbicos como Rhodobacter sphaeroides ocurre la misma transformación general pero el oxígeno incorporado al éster 13-monometílico de protoporfirina de magnesio IX proviene del agua en la reacción EC 1.21.98.3. ^[9]

Pasos de reducción a clorofilida a

Se requieren dos transformaciones más para producir clorofilida a . Ambas son reacciones de reducción : una convierte un grupo vinilo en un grupo etilo y la segunda añade dos átomos de hidrógeno al anillo de pirrol D, aunque se conserva la aromaticidad general del macrociclo. Estas reacciones se producen de forma independiente y en algunos organismos la secuencia se invierte. ^[1] La enzima divinil clorofilida a 8-vinil-reductasa ^[10] convierte 3,8-divinilprotoclorofilida en protoclorofilida en la reacción EC 1.3.1.75

3,8-divinilprotoclorofilida + NADPH + H ⁺ protoclorofilida + NADP ⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

La reducción del anillo D de protoclorofilida completa la biosíntesis de clorofilida a

A esto le sigue la reacción EC 1.3.1.33 en la que el anillo de pirrol D es reducido por la enzima protoclorofilida reductasa ^[11].

protoclorofilida + NADPH + H ⁺ clorofilida a + NADP ⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

Esta reacción depende de la luz, pero existe una enzima alternativa, la ferredoxina:protoclorofilida reductasa (dependiente de ATP) , ^[12] que utiliza ferredoxina reducida como cofactor y no depende de la luz; realiza una reacción similar a la EC 1.3.7.7 pero con el sustrato alternativo 3,8-divinilprotoclorofilida.

3,8-divinilprotoclorofilida + ferredoxina reducida + 2 ATP + 2 H ₂ O 3,8-divinilclorofilida a + ferredoxina oxidada + 2 ADP + 2 fosfatos ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

En los organismos que utilizan esta secuencia alternativa de pasos de reducción, el proceso se completa mediante la reacción EC 1.3.7.13 catalizada por una enzima que puede tomar una variedad de sustratos y realizar la reducción del grupo vinilo requerida, por ejemplo en este caso

3,8-divinilclorofilida a + 2 ferredoxina reducida + 2 H ⁺ clorofilida a + 2 ferredoxina oxidada ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

De clorofilidaaa la clorofilidab

La clorofilida a oxigenasa es la enzima que convierte la clorofilida a en clorofilida b ^[13] al catalizar la reacción general EC 1.3.7.13

clorofilida a + 2 O ₂ + 2 NADPH + 2 H ⁺ clorofilida b + 3 H ₂ O + 2 NADP ⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

Uso en la biosíntesis de clorofilas.

Clorofila a , b y d

La clorofila sintasa ^[14] completa la biosíntesis de la clorofila a catalizando la reacción EC 2.5.1.62

clorofilida a + fitil difosfato clorofila a + difosfato ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

Esto forma un éster del grupo de ácido carboxílico en la clorofilida a con el alcohol diterpénico de 20 carbonos fitol . La clorofila b es producida por la misma enzima que actúa sobre la clorofilida b . Lo mismo se sabe de la clorofila d y f , ambas producidas a partir de clorofilidas correspondientes, que finalmente se obtienen a partir de la clorofilida a . ^[15]

Uso en la biosíntesis de bacterioclorofilas.

Las bacterioclorofilas son los pigmentos que captan la luz y que se encuentran en las bacterias fotosintéticas: no producen oxígeno como subproducto. Existen muchas estructuras de este tipo, pero todas están relacionadas biosintéticamente al derivar de la clorofilida a . ^{[1] [16]}

Licenciatura en ciencias biológicasa: anillo de bacterioclorina y cadenas laterales

Bacterioclorofilida a (R=H). Los intermediarios anteriores tienen un grupo vinilo o un grupo 1-hidroxietilo en lugar del grupo acetilo que se muestra.

La bacterioclorofila a es un ejemplo típico; su biosíntesis se ha estudiado en Rhodobacter capsulatus y Rhodobacter sphaeroides . El primer paso es la reducción (con estereoquímica trans ) del anillo pirrólico B, dando lugar al sistema aromático de 18 electrones característico de muchas bacterioclorofilas. Esto lo lleva a cabo la enzima clorofilida a reductasa , que cataliza la reacción EC 1.3.7.15.

clorofilida a + 2 ferredoxina reducida + ATP + H ₂ O + 2 H ⁺ 3-desacetil 3-vinilbacterioclorofilida a + 2 ferredoxina oxidada + ADP + fosfato ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

Los dos pasos siguientes convierten el grupo vinilo primero en un grupo 1-hidroxietilo y luego en el grupo acetilo de la bacterioclorofilida a . Las reacciones son catalizadas por la clorofilida a 31-hidratasa ( EC 4.2.1.165) y la bacterioclorofilida a deshidrogenasa ( EC 1.1.1.396) de la siguiente manera: ^{[2] [17]}

3-desacetil 3-vinilbacterioclorofilida a + H ₂ O 3-desacetil 3-(1-hidroxietil)bacterioclorofilida a ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

3-desacetil 3-(1-hidroxietil)bacterioclorofilida a + NAD ⁺ bacterioclorofilida a + NADH + H ⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

Estas tres reacciones catalizadas por enzimas pueden ocurrir en diferentes secuencias para producir bacterioclorofilida a lista para la esterificación a los pigmentos finales para la fotosíntesis. El éster fitílico de la bacterioclorofila a no está unido directamente: en cambio, el intermediario inicial es el éster con R=geranilgeranilo (del pirofosfato de geranilgeranilo ) que luego está sujeto a pasos adicionales a medida que se reducen tres de los enlaces alquenos de la cadena lateral . ^[17]

Referencias

1. Willows, Robert D. (2003). "Biosíntesis de clorofilas a partir de protoporfirina IX". Natural Product Reports . 20 (6): 327–341. doi :10.1039/B110549N. PMID  12828371.
2. Bollivar, David W. (2007). "Avances recientes en la biosíntesis de clorofila". Photosynthesis Research . 90 (2): 173–194. doi :10.1007/s11120-006-9076-6. PMID  17370354. S2CID  23808539.
3. Battersby AR, Fookes CJ, Matcham GW, McDonald E (mayo de 1980). "Biosíntesis de los pigmentos de la vida: formación del macrociclo". Nature . 285 (5759): 17–21. Bibcode :1980Natur.285...17B. doi : 10.1038/285017a0 . PMID  6769048. S2CID  9070849.
4. Battersby, AR (2000). "Tetrapirroles: los pigmentos de la vida. Una revisión del milenio". Natural Product Reports . 17 (6): 507–526. doi :10.1039/B002635M. PMID  11152419.
5. R. Caspi (18 de julio de 2007). «Biosíntesis I de 3,8-divinil-clorofilida A (aeróbica, dependiente de la luz)». Base de datos de vías metabólicas MetaCyc . Consultado el 4 de junio de 2020 .
6. Shepherd, Mark; Reid, James D.; Hunter, C. Neil (2003). "Purificación y caracterización cinética de la metiltransferasa de protoporfirina IX de magnesio de Synechocystis PCC6803". Revista bioquímica . 371 (2): 351–360. doi :10.1042/BJ20021394. PMC 1223276 . PMID  12489983. 
7. Bollivar DW, Beale SI (septiembre de 1996). "La enzima biosintética de la clorofila Mg-protoporfirina IX monometil éster (oxidativo) ciclasa (caracterización y purificación parcial de Chlamydomonas reinhardtii y Synechocystis sp. PCC 6803)". Fisiología vegetal . 112 (1): 105–114. doi :10.1104/pp.112.1.105. PMC 157929 . PMID  12226378. 
8. Stuart, David; Sandström, Malin; Youssef, Helmy M.; Zakhrabekova, Shakhira; Jensen, Poul Erik; Bollivar, David W.; Hansson, Mats (8 de septiembre de 2020). "La ciclasa de monometil éster de Mg-protoporfirina IX aeróbica de cebada es impulsada por electrones de ferredoxina". Plantas . 9 (9): 1157. doi : 10.3390/plants9091157 . PMC 7570240 . PMID  32911631. 
9. Porra, Robert J.; Schafer, Wolfram; Gad'On, Nasr; Katheder, Ingrid; Drews, Gerhart; Scheer, Hugo (1996). "Origen de los dos oxígenos carbonílicos de la bacterioclorofila a. Demostración de dos vías diferentes para la formación del anillo e en Rhodobacter sphaeroides y Roseobacter denitrificans, y un mecanismo de hidratasa común para la formación del grupo 3-acetilo". Revista Europea de Bioquímica . 239 (1): 85–92. doi : 10.1111/j.1432-1033.1996.0085u.x . PMID  8706723.
10. Parham, Ramin; Rebeiz, Constantin A. (1992). "Biogénesis de cloroplastos: la [4-vinil] clorofilida a reductasa es una enzima dependiente de NADPH, específica de la divinilclorofilida a". Bioquímica . 31 (36): 8460–8464. doi :10.1021/bi00151a011. PMID  1390630.
11. Apel, Klaus; Santel, Hans-Joachim; Redlinger, Tom E.; Falk, Heinz (2005). "El holocromo de protoclorofilida de la cebada (Hordeum vulgare L.)". Revista Europea de Bioquímica . 111 (1): 251–258. doi : 10.1111/j.1432-1033.1980.tb06100.x . PMID  7439188.
12. Muraki N, Nomata J, Ebata K, Mizoguchi T, Shiba T, Tamiaki H, Kurisu G, Fujita Y (mayo de 2010). "Estructura cristalina de rayos X de la protoclorofilida reductasa independiente de la luz". Naturaleza . 465 (7294): 110–4. Código Bib :2010Natur.465..110M. doi : 10.1038/naturaleza08950. PMID  20400946. S2CID  4427639.
13. Eggink, Laura L.; Lobrutto, Russell; Brune, Daniel C.; Brusslan, Judy; Yamasato, Akihiro; Tanaka, Ayumi; Hoober, J Kenneth (2004). "Síntesis de clorofila b: localización de la clorofilida a oxigenasa y descubrimiento de un radical estable en la subunidad catalítica". BMC Plant Biology . 4 : 5. doi : 10.1186/1471-2229-4-5 . PMC 406501 . PMID  15086960. 
14. Schmid, HC; Rassadina, V.; Oster, U.; Schoch, S.; Rüdiger, W. (2002). "La precarga de la clorofila sintasa con difosfato de tetrarenilo es un paso obligatorio en la biosíntesis de clorofila" (PDF) . Química biológica . 383 (11): 1769–78. doi :10.1515/BC.2002.198. PMID  12530542. S2CID  3099209.
15. Tsuzuki, Yuki; Tsukatani, Yusuke; Yamakawa, Hisanori; Itoh, Shigeru; Fujita, Yuichi; Yamamoto, Haruki (29 de marzo de 2022). "Efectos de la luz y el oxígeno en la biosíntesis de clorofila d en una cianobacteria marina Acaryochloris marina". Plantas . 11 (7): 915. doi : 10.3390/plants11070915 . PMC 9003380 . PMID  35406896. 
16. Senge, Mathias O.; Smith, Kevin M. (2004). "Biosíntesis y estructuras de las bacterioclorofilas". Bacterias fotosintéticas anoxigénicas . Avances en la fotosíntesis y la respiración. Vol. 2. págs. 137–151. doi :10.1007/0-306-47954-0_8. ISBN 0-7923-3681-X.
17. R. Caspi (8 de diciembre de 2015). "Vía: biosíntesis de bacterioclorofila a". Base de datos de vías metabólicas MetaCyc . Consultado el 4 de junio de 2020 .