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Fotosistema II

Fotosistema II de cianobacterias, dímero, PDB 2AXT

El fotosistema II (o oxidorreductasa de agua-plastoquinona ) es el primer complejo proteico en las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis oxigénica . Se encuentra en la membrana tilacoide de las plantas , las algas y las cianobacterias . Dentro del fotosistema, las enzimas capturan fotones de luz para energizar electrones que luego se transfieren a través de una variedad de coenzimas y cofactores para reducir la plastoquinona a plastoquinol. Los electrones energizados son reemplazados por agua oxidante para formar iones de hidrógeno y oxígeno molecular.

Al reponer los electrones perdidos con electrones provenientes de la división del agua , el fotosistema II proporciona los electrones necesarios para que se produzca toda la fotosíntesis. Los iones de hidrógeno (protones) generados por la oxidación del agua ayudan a crear un gradiente de protones que la ATP sintasa utiliza para generar ATP . Los electrones energizados transferidos a la plastoquinona se utilizan en última instancia para reducir el NADP.+
al NADPH o se utilizan en el flujo de electrones no cíclico . [1] El DCMU es una sustancia química que se utiliza a menudo en entornos de laboratorio para inhibir la fotosíntesis. Cuando está presente, el DCMU inhibe el flujo de electrones del fotosistema II a la plastoquinona.

Estructura del complejo

Fotosistema cianobacteriano II, Monómero, PDB 2AXT.
Esquema del PSII, resaltando la transferencia de electrones.

El núcleo del PSII consiste en un heterodímero pseudosimétrico de dos proteínas homólogas D1 y D2. [2] A diferencia de los centros de reacción de todos los demás fotosistemas en los que la carga positiva que se encuentra en el dímero de clorofila que experimenta la separación de carga fotoinducida inicial se comparte equitativamente entre los dos monómeros, en el PSII intacto la carga se localiza principalmente en un centro de clorofila (70−80%). [3] Debido a esto, P680 + es altamente oxidante y puede participar en la división del agua. [2]

El fotosistema II (de las cianobacterias y las plantas verdes) está compuesto por unas 20 subunidades (según el organismo) así como otras proteínas accesorias que captan la luz. Cada fotosistema II contiene al menos 99 cofactores: 35 clorofila a, 12 betacaroteno , dos feofitinas , dos plastoquinonas , dos hemo , un bicarbonato, 20 lípidos, el Mn
4CaO
5grupo (que incluye dos iones de cloruro), un Fe no hemo2+
y dos supuestos Ca2+
iones por monómero. [4] Existen varias estructuras cristalinas del fotosistema II. [5] Los códigos de acceso PDB para esta proteína son 3WU2, 3BZ1, 3BZ2 (3BZ1 y 3BZ2 son estructuras monoméricas del dímero del fotosistema II), [4] 2AXT, 1S5L, 1W5C, 1ILX, 1FE1, 1IZL.

Complejo generador de oxígeno (OEC)

Estructura propuesta del Centro de Manganeso

El complejo que desprende oxígeno es el lugar de oxidación del agua. Es un grupo metalo-oxo que comprende cuatro iones de manganeso (en estados de oxidación que van de +3 a +4) [6] y un ion de calcio divalente. Cuando oxida el agua, produciendo gas oxígeno y protones, entrega secuencialmente los cuatro electrones del agua a una cadena lateral de tirosina (D1-Y161) y luego al propio P680. Está compuesto por tres subunidades proteicas, OEE1 (PsbO), OEE2 (PsbP) y OEE3 (PsbQ); un cuarto péptido PsbR está asociado cerca.

El primer modelo estructural del complejo que desarrolla oxígeno se resolvió utilizando cristalografía de rayos X a partir de cristales de proteína congelados con una resolución de 3,8 Å en 2001. [7] Durante los años siguientes, la resolución del modelo se incrementó gradualmente hasta 2,9 Å . [8] [9] [10] Si bien la obtención de estas estructuras fue en sí misma una gran hazaña, no mostraron el complejo que desarrolla oxígeno con todo detalle. En 2011, el OEC de PSII se resolvió a un nivel de 1,9 Å, revelando cinco átomos de oxígeno que sirven como puentes oxo que unen los cinco átomos de metal y cuatro moléculas de agua unidas al Mn.
4CaO
5cluster; se encontraron más de 1.300 moléculas de agua en cada monómero del fotosistema II, algunas formando extensas redes de enlaces de hidrógeno que pueden servir como canales para protones, moléculas de agua u oxígeno. [11] En esta etapa, se sugiere que las estructuras obtenidas por cristalografía de rayos X están sesgadas, ya que hay evidencia de que los átomos de manganeso se reducen por los rayos X de alta intensidad utilizados, alterando la estructura OEC observada. Esto incentivó a los investigadores a llevar sus cristales a otras instalaciones de rayos X, llamadas Láseres de Electrones Libres de Rayos X , como SLAC en los EE. UU. En 2014 se confirmó la estructura observada en 2011. [12] Conocer la estructura del Fotosistema II no fue suficiente para revelar cómo funciona exactamente. Así que ahora ha comenzado la carrera para resolver la estructura del Fotosistema II en diferentes etapas del ciclo mecanístico (discutido a continuación). Actualmente, las estructuras del estado S1 y del estado S3 se han publicado casi simultáneamente por dos grupos diferentes, mostrando la adición de una molécula de oxígeno designada O6 entre Mn1 y Mn4, [13] [14] lo que sugiere que este puede ser el sitio en el complejo que evoluciona el oxígeno, donde se produce el oxígeno.

División del agua

Proceso de división del agua: transporte y regulación de electrones. El primer nivel ( A ) muestra el modelo original de Kok del ciclo de los estados S, el segundo nivel ( B ) muestra la relación entre el transporte de electrones (avance de los estados S) y el proceso de relajación de la formación de los estados S intermedios ([YzSn], n=0,1,2,3).

La descomposición fotosintética del agua (o evolución del oxígeno ) es una de las reacciones más importantes del planeta, ya que es la fuente de casi todo el oxígeno de la atmósfera. Además, la descomposición fotosintética artificial del agua puede contribuir al uso eficaz de la luz solar como fuente de energía alternativa.

El mecanismo de oxidación del agua se entiende en detalle sustancial. [15] [16] [17] La ​​oxidación del agua a oxígeno molecular requiere la extracción de cuatro electrones y cuatro protones de dos moléculas de agua. La evidencia experimental de que el oxígeno se libera a través de la reacción cíclica del complejo que evoluciona con oxígeno (OEC) dentro de un PSII fue proporcionada por Pierre Joliot et al. [18] Han demostrado que, si el material fotosintético adaptado a la oscuridad (plantas superiores, algas y cianobacterias) se expone a una serie de destellos de recambio único, la evolución del oxígeno se detecta con una oscilación amortiguada de período cuatro típica con máximos en el tercer y séptimo destello y con mínimos en el primero y quinto destello (para una revisión, consulte [19] ). Basándose en este experimento, Bessel Kok y colaboradores [20] introdujeron un ciclo de cinco transiciones inducidas por destello de los llamados estados S , describiendo los cuatro estados redox de OEC: Cuando se han almacenado cuatro equivalentes oxidantes (en el estado S 4 ), OEC vuelve a su estado S 0 básico . En ausencia de luz, la OEC se "relajará" al estado S 1 ; el estado S 1 se describe a menudo como "estable en la oscuridad". Se considera en gran medida que el estado S 1 consiste en iones de manganeso con estados de oxidación de Mn 3+ , Mn 3+ , Mn 4+ , ​​Mn 4+ . [21] Finalmente, los estados S intermedios [22] fueron propuestos por Jablonsky y Lazar como un mecanismo regulador y vínculo entre los estados S y la tirosina Z.

En 2012, Renger expresó la idea de cambios internos de las moléculas de agua en óxidos típicos en diferentes estados S durante la división del agua. [23]

Inhibidores

Los inhibidores de PSII se utilizan como herbicidas. Existen dos familias químicas principales: las triazinas derivadas del cloruro cianúrico [24], de las cuales la atrazina y la simazina son las más utilizadas, y las arilureas , que incluyen el clortolurón y el diurón (DCMU). [25] [26]

Véase también

Referencias

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