Un centro de reacción fotosintética es un complejo de varias proteínas, pigmentos y otros cofactores que juntos ejecutan las reacciones primarias de conversión de energía de la fotosíntesis . Las excitaciones moleculares, ya sea que se originan directamente de la luz solar o se transfieren como energía de excitación a través de sistemas de antenas captadoras de luz , dan lugar a reacciones de transferencia de electrones a lo largo del camino de una serie de cofactores unidos a proteínas. Estos cofactores son moléculas absorbentes de luz (también denominadas cromóforos o pigmentos ) como la clorofila y la feofitina , así como las quinonas . La energía del fotón se utiliza para excitar un electrón de un pigmento. La energía libre creada se utiliza luego, a través de una cadena de aceptores de electrones cercanos , para una transferencia de átomos de hidrógeno (como protones y electrones) desde H2O o sulfuro de hidrógeno hacia dióxido de carbono, produciendo finalmente glucosa . Estos pasos de transferencia de electrones dan como resultado en última instancia la conversión de la energía de los fotones en energía química.
Los centros de reacción están presentes en todas las plantas verdes , algas y muchas bacterias . Existe una variedad de 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 supercomplejos más grandes conocidos como P700 en el Fotosistema I y P680 en el Fotosistema II . Las estructuras de estos supercomplejos son grandes e involucran múltiples complejos captadores de luz . Actualmente se conoce mejor el centro de reacción de la bacteria Rhodopseudomonas , ya que fue el primer centro de reacción de estructura conocida y tiene menos cadenas polipeptídicas que los ejemplos de las plantas verdes. [1]
Un centro de reacción está diseñado de tal manera que captura la energía de un fotón utilizando moléculas de pigmento y la convierte en una forma utilizable. Una vez que la energía luminosa ha sido absorbida directamente por las moléculas de pigmento, o transmitida a ellas mediante transferencia de resonancia desde un complejo captador de luz circundante , liberan electrones en una cadena de transporte de electrones y pasan energía a un donante de hidrógeno, como H 2 O, para extraerla. electrones y protones de él. En las plantas verdes, la cadena de transporte de electrones tiene muchos aceptores de electrones, incluidos feofitina , quinona , plastoquinona , citocromo bf y ferredoxina , que finalmente dan como resultado la molécula reducida NADPH , mientras que la energía utilizada para dividir el agua da como resultado la liberación de oxígeno . El paso del electrón a través de la cadena de transporte de electrones también resulta en el bombeo de protones (iones de hidrógeno) desde el estroma del cloroplasto hacia la luz , lo que resulta en un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide que puede usarse para sintetizar ATP usando el Molécula de ATP sintasa . Tanto el ATP como el NADPH se utilizan en el ciclo de Calvin para fijar el dióxido de carbono en azúcares triosas.
Se reconocen dos clases de centros de reacción. El tipo I, que se encuentra en las bacterias de azufre verde , las heliobacterias y las PS-I de plantas/cianobacterias, utiliza grupos de azufre de hierro como aceptores de electrones. El tipo II, que se encuentra en el cloroflexo , las bacterias moradas y el PS-II vegetal/cianobacteriano, utiliza quinonas. No sólo todos los miembros dentro de cada clase comparten una ascendencia común, sino que las dos clases también, por medio de una estructura común, parecen relacionadas. [2] [3]
Las cianobacterias, precursoras de los cloroplastos que se encuentran en las plantas verdes, tienen ambos fotosistemas con ambos tipos de centros de reacción. La combinación de los dos sistemas permite producir oxígeno. [3]
Esta sección trata del sistema tipo II que se encuentra en las bacterias moradas. [3]
El centro de reacción fotosintética bacteriana ha sido un modelo importante para comprender la estructura y la química del proceso biológico de captura de energía luminosa. En la década de 1960, Roderick Clayton fue el primero en purificar el complejo del centro de reacción de las bacterias violetas. Sin embargo, la primera estructura cristalina (imagen superior a la derecha) fue determinada en 1984 por Hartmut Michel , Johann Deisenhofer y Robert Huber [4] por la que compartieron el Premio Nobel en 1988. [5] Esto también fue significativo por ser el primer cristal 3D. Estructura cristalina de cualquier complejo proteico de membrana.
Se descubrió que cuatro subunidades diferentes eran importantes para el funcionamiento del centro de reacción fotosintética. Las subunidades L y M , que se muestran en azul y violeta en la imagen de la estructura, abarcan la bicapa lipídica de la membrana plasmática. Son estructuralmente similares entre sí y ambos tienen 5 hélices alfa transmembrana . [6] Cuatro moléculas de bacterioclorofila b (BChl-b), dos moléculas de bacteriofeofitina b (BPh), dos quinonas (Q A y Q B ) y un ion ferroso están asociados con las subunidades L y M. La subunidad H, que se muestra en dorado, se encuentra en el lado citoplasmático de la membrana plasmática. Una subunidad de citocromo, que no se muestra aquí, contiene cuatro hemos de tipo c y está ubicada en la superficie periplásmica (exterior) de la membrana. La última subunidad no es un motivo estructural general en las bacterias fotosintéticas. Las subunidades L y M se unen a los cofactores funcionales y que interactúan con la luz, que se muestran aquí en verde.
Los centros de reacción de diferentes especies bacterianas pueden contener cromóforos de bacterioclorofila y bacteriofeofitina ligeramente alterados como cofactores funcionales. Estas alteraciones provocan cambios en el color de la luz que puede absorberse. El centro de reacción contiene dos pigmentos que sirven para recoger y transferir la energía procedente de la absorción de fotones: BChl y Bph. BChl se parece aproximadamente a la molécula de clorofila que se encuentra en las plantas verdes, pero, debido a diferencias estructurales menores, su longitud de onda de absorción máxima se desplaza hacia el infrarrojo , con longitudes de onda de hasta 1000 nm. Bph tiene la misma estructura que BChl, pero el ion magnesio central es reemplazado por dos protones. Esta alteración provoca tanto un cambio máximo de absorbancia como un potencial redox reducido.
El proceso comienza 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 "par especial", absorbe fotones a 870 nm o 960 nm, dependiendo de la especie y, por eso, se llama P870 (por Rhodobacter sphaeroides ) o P960 (por Blastochloris viridis ), siendo P "pigmento"). Una vez que P absorbe un fotón, expulsa un electrón, que se transfiere a través de otra molécula de Bchl al BPh en la subunidad L. Esta separación de carga inicial produce una carga positiva en P y una carga negativa en BPh. Este proceso tiene lugar en 10 picosegundos (10 −11 segundos). [1]
Las cargas del P + y del BPh− podrían sufrir una recombinación de cargas en este estado, lo que desperdiciaría la energía y la convertiría en calor . Varios factores de la estructura del centro de reacción sirven para evitarlo. Primero, la transferencia de un electrón de BPh − a P960 + es relativamente lenta en comparación con otras dos reacciones redox en el centro de reacción. Las reacciones más rápidas implican la transferencia de un electrón de BPh − (BPh − se oxida a BPh) a la quinona aceptora de electrones (Q A ), y la transferencia de un electrón a P960 + (P960 + se reduce a P960) desde un grupo hemo. en la subunidad del citocromo encima del centro de reacción.
El electrón de alta energía que reside en la molécula de quinona Q A estrechamente unida se transfiere a una molécula de quinona intercambiable Q B. Esta molécula está vagamente asociada a la proteína y es bastante fácil de desprender. Se requieren dos electrones para reducir completamente Q B a QH 2 , tomando dos protones del citoplasma en el proceso. La quinona reducida QH 2 se difunde a través de la membrana hacia otro complejo proteico ( complejo citocromo bc 1 ) donde se oxida. En el proceso, el poder reductor del QH 2 se utiliza para bombear protones a través de la membrana hasta el espacio periplásmico. Los electrones del complejo citocromo bc 1 se transfieren luego a través de un intermediario soluble del citocromo c, llamado citocromo c 2 , en el periplasma a la subunidad del citocromo.
Las cianobacterias, precursoras de los cloroplastos que se encuentran en las plantas verdes, tienen ambos fotosistemas con ambos tipos de centros de reacción. La combinación de los dos sistemas permite producir oxígeno.
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 colocó debajo de un frasco volcado hacia arriba. Después de un corto período de tiempo, la vela se apagó. Llevó a cabo un experimento similar con un ratón en el reducido espacio de la vela encendida. Descubrió que el ratón murió poco tiempo después de apagar la vela. Sin embargo, podría reavivar el aire viciado colocando plantas verdes en el área y exponiéndolas a la luz. Las 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 repartidos en 4 meses en un intento de comprender qué estaba pasando realmente. Escribió sus descubrimientos en un libro titulado Experimentos sobre vegetales . Ingenhousz tomó plantas verdes y las sumergió en agua dentro de un tanque transparente. Observó muchas burbujas que surgían de la superficie de las hojas cada vez que las plantas estaban expuestas a la luz. Ingenhousz recogió el gas emitido por las plantas y realizó varias pruebas diferentes en un intento de determinar qué gas era. La prueba que finalmente reveló la identidad del gas fue colocar una vela encendida en la muestra de gas y volver a encenderla. Esta prueba demostró que se trataba de oxígeno o, como lo había llamado Joseph Priestley, " aire desflogistizado ".
En 1932, Robert Emerson y su alumno, William Arnold, utilizaron una técnica de destellos repetitivos para medir con precisión pequeñas cantidades de oxígeno desprendido por la clorofila en el alga Chlorella . Su experimento demostró la existencia de una unidad fotosintética. Más tarde, Gaffron y Wohl interpretaron el experimento y se dieron cuenta de que la luz absorbida por la unidad fotosintética era transferida. [7] Esta reacción ocurre en el centro de reacción del Fotosistema II y tiene lugar en cianobacterias, algas y plantas verdes. [8]
El fotosistema II es el fotosistema que genera los dos electrones que eventualmente reducirán el NADP + en la ferredoxina-NADP-reductasa. El fotosistema II está presente en las membranas tilacoides dentro de los cloroplastos, el sitio de la fotosíntesis en las plantas verdes. [9] La estructura del Fotosistema II es notablemente similar al centro de reacción bacteriano, y se teoriza que comparten un ancestro común.
El núcleo del Fotosistema II consta de dos subunidades denominadas D1 y D2 . Estas dos subunidades son similares a las subunidades L y M presentes en el centro de reacción bacteriana. El fotosistema II se diferencia del centro de reacción bacteriano en que tiene muchas subunidades adicionales que se unen a clorofilas adicionales para aumentar la eficiencia. La reacción general catalizada por el Fotosistema II es:
Q representa la forma oxidada de plastoquinona mientras que QH 2 representa su forma reducida. Este proceso de reducción de quinona es comparable al que tiene lugar en el centro de reacción bacteriana. El fotosistema II obtiene electrones oxidando agua en un proceso llamado fotólisis . El oxígeno molecular es un subproducto de este proceso, y es esta reacción la que suministra oxígeno a la atmósfera . El hecho de que el oxígeno de las plantas verdes procediera del agua lo dedujo por primera vez el bioquímico estadounidense nacido en Canadá Martin David Kamen . Usó un isótopo estable de oxígeno, 18 O, para rastrear el camino del oxígeno desde el agua hasta el 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 las del centro de reacción bacteriana. Debido a la presencia de clorofila a , a diferencia de la bacterioclorofila , el fotosistema II absorbe luz en una longitud de onda más corta. El par de moléculas de clorofila en el centro de reacción a menudo se denomina P680 . [1] Cuando el fotón ha sido absorbido, el electrón de alta energía resultante se transfiere a una molécula de feofitina cercana. Está arriba y a la derecha del par en el diagrama y es de color gris. El electrón viaja desde la molécula de feofitina a través de dos moléculas de plastoquinona, la primera fuertemente unida y la segunda débilmente. La molécula fuertemente unida se muestra encima de la molécula de feofitina y está coloreada en rojo. La molécula ligeramente unida está a la izquierda y también está coloreada de rojo. Este flujo de electrones es similar al del centro de reacción bacteriano. Se necesitan dos electrones para reducir completamente la molécula de plastoquinona ligeramente unida a QH 2 , así como para la absorción de dos protones.
La diferencia entre el Fotosistema II y el centro de reacción bacteriano es la fuente del electrón que neutraliza el par de moléculas de clorofila a . En el centro de reacción bacteriano, el electrón se obtiene de un grupo hemo compuesto reducido en una subunidad del citocromo o de una proteína del citocromo-c soluble en agua.
Cada vez que el P680 absorbe un fotón, emite un electrón a feofitina, ganando una carga positiva. Tras esta separación de carga fotoinducida , el P680 + es un oxidante muy fuerte y de alta energía. Pasa su energía a las moléculas de agua que están unidas al centro de manganeso directamente debajo del par y les extrae un electrón. Este centro, debajo y a la izquierda del par en el diagrama, contiene cuatro iones de manganeso, un ión de calcio , un ión de cloruro y un residuo de tirosina . El manganeso es experto en estas reacciones porque es capaz de existir en cuatro estados de oxidación: Mn 2+ , Mn 3+ , Mn 4+ y Mn 5+ . El manganeso también forma fuertes enlaces con moléculas que contienen oxígeno, como el agua. El proceso de oxidación de dos moléculas de agua para formar una molécula de oxígeno 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 a QH 2 . Hasta la fecha, este centro catalítico de división de agua no ha sido reproducido por ningún catalizador artificial.
Después de que el electrón abandona el Fotosistema II, se transfiere a un complejo de citocromo b6f y luego a la plastocianina , una proteína de cobre azul y portadora de electrones. El complejo de plastocianina transporta el electrón que neutralizará el par en el siguiente centro de reacción, el Fotosistema I.
Al igual que con el Fotosistema II y el centro de reacción bacteriana, un par de moléculas de clorofila a inician la separación de cargas fotoinducida. Este par se conoce como P700 , donde 700 es una referencia a la longitud de onda a la que las moléculas de clorofila absorben la luz al máximo. El P700 se encuentra en el centro de la proteína. Una vez que se ha iniciado la separación de carga fotoinducida, el electrón viaja por un camino a través de una molécula de clorofila α situada directamente encima del P700, a través de una molécula de quinona situada directamente encima, a través de tres grupos de 4Fe-4S y, finalmente, hasta un complejo de ferredoxina intercambiable. [10] La ferredoxina es una proteína soluble que contiene un grupo 2Fe-2S coordinado por cuatro residuos de cisteína. La carga positiva del P700 + de alta energía se neutraliza mediante la transferencia de un electrón de la plastocianina , que recibe energía que finalmente se utiliza para convertir QH 2 nuevamente en Q. Así, la reacción general catalizada por el fotosistema I es:
La cooperación entre los fotosistemas I y II crea un flujo de electrones y protones desde H 2 O a NADP + , produciendo NADPH necesario para la síntesis de glucosa. Esta vía se denomina ' esquema Z ' porque el diagrama redox de H2O a NADP + vía P680 y P700 se parece a la letra Z. [11]