La plastocianina es una proteína que contiene cobre y que media en la transferencia de electrones . Se encuentra en una variedad de plantas, donde participa en la fotosíntesis . La proteína es un prototipo de las proteínas azules de cobre , una familia de metaloproteínas de color azul intenso . En concreto, pertenece al grupo de pequeñas proteínas azules de cobre de tipo I llamadas "cupredoxinas". [1]
En la fotosíntesis , la plastocianina funciona como un agente de transferencia de electrones entre el citocromo f del complejo citocromo b 6 f del fotosistema II y P700+ del fotosistema I. El complejo citocromo b 6 f y P700 + son proteínas unidas a la membrana con residuos expuestos en el lado del lumen de la membrana tilacoide de los cloroplastos . El citocromo f actúa como un donador de electrones mientras que P700+ acepta electrones de la plastocianina reducida. [2]
La plastocianina fue la primera de las proteínas de cobre azul que se caracterizó mediante cristalografía de rayos X. [3] [2] [4] Presenta un barril β antiparalelo de ocho cadenas que contiene un centro de cobre . [3]
Las estructuras de la proteína de plantas de álamo, algas , perejil , espinaca y judías verdes se han caracterizado cristalográficamente. [3] En todos los casos, el sitio de unión se conserva generalmente. Unidos al centro de cobre hay cuatro ligandos : los grupos imidazol de dos residuos de histidina (His37 e His87), el tiolato de Cys84 y el tioéter de Met92 . La geometría del sitio de unión de cobre se describe como un "tetraédrico distorsionado". El contacto Cu-S (Cys) es mucho más corto (207 picómetros ) que el enlace Cu-S (Met) (282 pm). El enlace Cu-tioéter alargado parece desestabilizar el estado Cu II , mejorando así su poder oxidante. El color azul (pico de absorción de 597 nm ) se asigna a una transición de transferencia de carga de S pπ a Cu dx 2 -y 2 . [5]
En la forma reducida de plastocianina, His-87 se protona.
Aunque la superficie molecular de la proteína cerca del sitio de unión del cobre varía ligeramente, todas las plastocianinas tienen una superficie hidrófoba que rodea la histidina expuesta del sitio de unión del cobre. En las plastocianinas vegetales, los residuos ácidos se encuentran a ambos lados de la tirosina -83 altamente conservada. Las plastocianinas de algas , y las de las plantas vasculares de la familia Apiaceae , contienen residuos ácidos similares pero tienen una forma diferente a la de las plastocianinas vegetales: carecen de los residuos 57 y 58. En las cianobacterias , la distribución de los residuos cargados en la superficie es diferente a la de las plastocianinas eucariotas y las variaciones entre las diferentes especies bacterianas son grandes. Muchas plastocianinas de cianobacterias tienen 107 aminoácidos. Aunque los parches ácidos no se conservan en las bacterias, el parche hidrófobo siempre está presente. Se cree que estos parches hidrófobos y ácidos son los sitios de reconocimiento/unión de las otras proteínas implicadas en la transferencia de electrones.
La plastocianina (Cu 2+ Pc) se reduce (se añade un electrón) por el citocromo f según la siguiente reacción:
Después de la disociación, Cu + Pc se difunde a través del espacio del lumen hasta que se produce el reconocimiento/unión con P700 + , momento en el que P700 + oxida Cu + Pc de acuerdo con la siguiente reacción:
El potencial redox es de aproximadamente 370 mV [6] y el pH isoeléctrico es de aproximadamente 4. [7]
La función de un catalizador es aumentar la velocidad de la reacción de transferencia de electrones ( redox ). Se cree que la plastocianina funciona menos como una enzima, donde las enzimas disminuyen la energía de transición necesaria para transferir el electrón. La plastocianina funciona más según los principios de los estados entáticos , donde aumenta la energía de los reactivos, disminuyendo la cantidad de energía necesaria para que se produzca la reacción redox. Otra forma de reformular la función de la plastocianina es que puede facilitar la reacción de transferencia de electrones proporcionando una pequeña energía de reorganización , que se ha medido en aproximadamente 16-28 kcal/mol (67-117 kJ/mol). [8]
Para estudiar las propiedades de la reacción redox de la plastocianina, se utilizaron métodos como simulaciones de dinámica molecular mediante mecánica cuántica / mecánica molecular (QM/MM) . Este método se utilizó para determinar que la plastocianina tiene una energía de deformación entática de aproximadamente 10 kcal/mol (42 kJ/mol). [8]
Los complejos de cobre de cuatro coordenadas a menudo exhiben una geometría plana cuadrada , sin embargo, la plastocianina tiene una geometría tetraédrica distorsionada trigonalmente. Esta geometría distorsionada es menos estable que la geometría tetraédrica ideal debido a su menor estabilización del campo de ligando como resultado de la distorsión trigonal. Esta geometría inusual es inducida por la conformación rígida "preorganizada" de los donantes de ligando por la proteína, que es un estado entático . La plastocianina realiza transferencia de electrones con el redox entre Cu (I) y Cu (II), y primero se teorizó que su estado entático era el resultado de la proteína que impone una geometría tetraédrica no distorsionada preferida por los complejos de Cu (I) ordinarios en el sitio de Cu (II) oxidado. [10] Sin embargo, se induce una geometría tetraédrica altamente distorsionada en el sitio de Cu (II) oxidado en lugar de una geometría tetraédrica perfectamente simétrica. Una característica del estado entático es un entorno proteico que es capaz de prevenir la disociación del ligando incluso a una temperatura lo suficientemente alta como para romper el enlace metal-ligando. En el caso de la plastocianina, se ha determinado experimentalmente mediante espectroscopia de absorción que existe un enlace Cu(I)-S Met largo y débil que debería disociarse a temperatura fisiológica debido al aumento de entropía. Sin embargo, este enlace no se disocia debido a las limitaciones del entorno proteico que dominan sobre las fuerzas entrópicas. [11]
En complejos de cobre ordinarios involucrados en el acoplamiento redox Cu(I)/Cu(II) sin un entorno proteico restrictivo, su geometría de ligando cambia significativamente, y típicamente corresponde a la presencia de una fuerza de distorsión de Jahn-Teller . Sin embargo, la fuerza de distorsión de Jahn-Teller no está presente en la plastocianina debido a una gran división de los orbitales d x2-y2 y d xy (Ver Estado entático de la proteína de cobre azul ). Además, la estructura de la plastocianina exhibe un enlace largo Cu(I)-S Met (2,9Å) con una fuerza de donación de electrones disminuida. Este enlace también acorta el enlace Cu(I)-S Cys (2,1Å), aumentando su fuerza de donación de electrones. En general, la plastocianina exhibe una energía de reorganización menor debido al estado entático del ligando proteico que impone la misma geometría tetraédrica distorsionada en los estados de oxidación Cu(II) y Cu(I), lo que le permite realizar la transferencia de electrones a un ritmo más rápido. [13] La energía de reorganización de las proteínas de cobre azul como la plastocianina es de 0,7 a 1,2 eV (68-116 kJ/mol) en comparación con 2,4 eV (232 kJ/mol) en un complejo de cobre ordinario como [Cu(phen) 2 ] 2+/+ . [10]
Por lo general, la plastocianina se puede encontrar en organismos que contienen clorofila b y cianobacterias , así como en algas que contienen clorofila c . También se ha encontrado plastocianina en la diatomea , Thalassiosira oceanica , que se puede encontrar en ambientes oceánicos. Fue sorprendente encontrar estos organismos que contienen la proteína plastocianina porque la concentración de cobre disuelto en el océano suele ser baja (entre 0,4 – 50 nM). Sin embargo, la concentración de cobre en los océanos es comparativamente más alta en comparación con las concentraciones de otros metales como el zinc y el hierro . Otros organismos que viven en el océano, como otras especies de fitoplancton, se han adaptado a donde no necesitan concentraciones tan altas de estos metales de baja concentración (Fe y Zn) para facilitar la fotosíntesis y crecer. [14]