Las reacciones dependientes de la luz se refieren a ciertas reacciones fotoquímicas que intervienen en la fotosíntesis , el principal proceso por el cual las plantas adquieren energía. Hay dos reacciones dependientes de la luz, la primera ocurre en el fotosistema II (PSII) y la segunda ocurre en el fotosistema I (PSI).
PSII absorbe un fotón para producir el llamado electrón de alta energía que se transfiere a través de una cadena de transporte de electrones al citocromo b 6 f y luego a PSI. El PSI luego reducido absorbe otro fotón produciendo un electrón más reductor, que convierte NADP + en NADPH. En la fotosíntesis oxigénica , el primer donante de electrones es el agua , creando oxígeno (O 2 ) como subproducto. En la fotosíntesis anoxigénica se utilizan varios donantes de electrones. El citocromo b 6 f y la ATP sintasa trabajan juntos para producir ATP ( fotofosforilación ) de dos maneras distintas. En la fotofosforilación no cíclica, el citocromo b 6 f utiliza electrones del PSII y energía del PSI [ cita necesaria ] para bombear protones desde el estroma a la luz . El gradiente de protones resultante a través de la membrana tilacoide crea una fuerza motriz de protones, utilizada por la ATP sintasa para formar ATP. En la fotofosforilación cíclica, el citocromo b 6 f utiliza electrones y energía del PSI para crear más ATP y detener la producción de NADPH. La fosforilación cíclica es importante para crear ATP y mantener NADPH en la proporción adecuada para las reacciones independientes de la luz .
La reacción neta de todas las reacciones dependientes de la luz en la fotosíntesis oxigénica es:
PSI y PSII son complejos captadores de luz . Si una molécula de pigmento especial en un centro de reacción fotosintética absorbe un fotón, un electrón de este pigmento alcanza el estado excitado y luego se transfiere a otra molécula en el centro de reacción. Esta reacción, llamada separación de carga fotoinducida , es el inicio del flujo de electrones y transforma la energía luminosa en formas químicas.
En química , muchas reacciones dependen de la absorción de fotones para proporcionar la energía necesaria para superar la barrera de energía de activación y, por lo tanto, pueden etiquetarse como dependientes de la luz. Tales reacciones van desde las reacciones de haluro de plata utilizadas en películas fotográficas hasta la creación y destrucción de ozono en la atmósfera superior . Este artículo analiza un subconjunto específico de estos, la serie de reacciones dependientes de la luz relacionadas con la fotosíntesis en organismos vivos.
El centro de reacción está en la membrana tilacoide. Transfiere la energía luminosa absorbida a un dímero de moléculas de pigmento de clorofila cerca del lado periplásmico (o luz tilacoide) de la membrana. A este dímero se le llama par especial por su papel fundamental en la fotosíntesis. Este par especial es ligeramente diferente en los centros de reacción PSI y PSII. En PSII, absorbe fotones con una longitud de onda de 680 nm, por lo que se denomina P680 . En PSI, absorbe fotones a 700 nm y se llama P700 . En las bacterias, el par especial se llama P760, P840, P870 o P960. "P" aquí significa pigmento, y el número que le sigue es la longitud de onda de la luz absorbida.
Los electrones en las moléculas de pigmento pueden existir en niveles de energía específicos. En circunstancias normales, se encuentran en el nivel de energía más bajo posible, el estado fundamental. Sin embargo, la absorción de luz de la energía fotónica adecuada puede elevarlos a un nivel de energía más alto. Cualquier luz que tenga demasiada o poca energía no puede absorberse y se refleja. El electrón en el nivel de energía más alto es inestable y rápidamente regresará a su nivel de energía más bajo normal. Para ello, debe liberar la energía absorbida. Esto puede suceder de varias maneras. La energía extra puede convertirse en movimiento molecular y perderse en forma de calor, o ser reemitida por el electrón en forma de luz ( fluorescencia ). La energía, pero no el electrón en sí, puede pasar a otra molécula; esto se llama transferencia de energía por resonancia . Si un electrón del par especial en el centro de reacción se excita, no puede transferir esta energía a otro pigmento mediante transferencia de energía por resonancia. En circunstancias normales, el electrón regresaría al estado fundamental, pero debido a que el centro de reacción está dispuesto de manera que haya un aceptor de electrones adecuado cerca, el electrón excitado es absorbido por el aceptor. La pérdida del electrón confiere al par especial una carga positiva y, como proceso de ionización , aumenta aún más su energía. [ cita requerida ] La formación de una carga positiva en el par especial y una carga negativa en el aceptor se conoce como separación de carga fotoinducida . El electrón se puede transferir a otra molécula. A medida que el pigmento ionizado regresa al estado fundamental, toma un electrón y emite energía al complejo que genera oxígeno para que pueda dividir el agua en electrones, protones y oxígeno molecular (después de recibir energía del pigmento cuatro veces). Los pigmentos vegetales suelen utilizar las dos últimas reacciones para convertir la energía del sol en propia.
Esta separación de carga inicial se produce en menos de 10 picosegundos (10 -11 segundos). En sus estados de alta energía, el pigmento especial y el aceptor podrían sufrir una recombinación de cargas; es decir, el electrón del aceptor podría retroceder para neutralizar la carga positiva del par especial. Su retorno al par especial desperdiciaría un valioso electrón de alta energía y simplemente convertiría la energía luminosa absorbida en calor. En el caso del PSII, este reflujo de electrones puede producir especies reactivas de oxígeno que conducen a la fotoinhibición . [1] [2] Tres factores en la estructura del centro de reacción trabajan juntos para suprimir la recombinación de carga casi por completo:
Así, la transferencia de electrones avanza eficientemente desde el primer aceptor de electrones al siguiente, creando una cadena de transporte de electrones que finaliza cuando ha alcanzado el NADPH .
El proceso de fotosíntesis en los cloroplastos comienza cuando un electrón de P680 del PSII alcanza un nivel de energía superior . Esta energía se utiliza para reducir una cadena de aceptores de electrones que posteriormente tienen potenciales redox más altos . Esta cadena de aceptores de electrones se conoce como cadena de transporte de electrones . Cuando esta cadena alcanza PSI , un electrón se excita nuevamente, creando un alto potencial redox. La cadena de transporte de electrones de la fotosíntesis a menudo se presenta en un diagrama llamado esquema Z , porque el diagrama redox de P680 a P700 se parece a la letra Z. [3]
El producto final del PSII es el plastoquinol , un portador de electrones móvil en la membrana. El plastoquinol transfiere el electrón del PSII a la bomba de protones, el citocromo b6f . El último donante de electrones del PSII es el agua. El citocromo b 6 f transfiere la cadena de electrones a PSI a través de moléculas de plastocianina . PSI puede continuar la transferencia de electrones de dos maneras diferentes. Puede transferir los electrones nuevamente al plastoquinol, creando un flujo de electrones cíclico, o a una enzima llamada FNR ( ferredoxina—NADP(+) reductasa ), creando un flujo de electrones no cíclico. PSI libera FNR en el estroma , donde reduce NADP+
a NADPH .
Las actividades de la cadena de transporte de electrones, especialmente del citocromo b 6 f , conducen al bombeo de protones desde el estroma a la luz. El gradiente de protones transmembrana resultante se utiliza para producir ATP mediante la ATP sintasa .
El proceso general de la cadena de transporte de electrones fotosintético en los cloroplastos es:
El PSII es extremadamente complejo, una estructura transmembrana altamente organizada que contiene un complejo de división del agua , clorofilas y pigmentos carotenoides, un centro de reacción (P680), feofitina (un pigmento similar a la clorofila) y dos quinonas. Utiliza la energía de la luz solar para transferir electrones del agua a un transportador de electrones móvil en la membrana llamado plastoquinona :
El plastoquinol, a su vez, transfiere electrones a cyt b 6 f , que los alimenta a PSI.
El paso H
2O → P680 se realiza mediante una estructura imperfectamente comprendida incrustada dentro del PSII llamada complejo de división de agua o complejo de evolución de oxígeno ( OEC ). Cataliza una reacción que divide el agua en electrones, protones y oxígeno,
utilizando energía de P680 + . Los pasos reales de la reacción anterior posiblemente ocurren de la siguiente manera (diagrama de estados S de Kok): (I) 2 H
2O (monóxido) (II) OH. h
2O (hidróxido) (III) H
2oh
2(peróxido) (IV) HO
2(superóxido)(V) O
2(dioxígeno). [ cita necesaria ] (mecanismo de Dolai)
Los electrones se transfieren a moléculas especiales de clorofila (incrustadas en PSII) que son promovidas a un estado de mayor energía por la energía de los fotones .
Aquí se produce la excitación P680 → P680 * del pigmento del centro de reacción P680. Estas moléculas especiales de clorofila incrustadas en PSII absorben la energía de los fotones, con una absorción máxima a 680 nm. Los electrones dentro de estas moléculas son promovidos a un estado de mayor energía. Este es uno de los dos procesos centrales de la fotosíntesis y ocurre con una eficiencia asombrosa (más del 90%) porque, además de la excitación directa por la luz a 680 nm, la energía de la luz recolectada primero por las proteínas de las antenas en otras longitudes de onda en la luz. -El sistema de recolección también se transfiere a estas moléculas especiales de clorofila.
A esto le sigue la transferencia de electrones P680 * → feofitina , y luego a plastoquinol , que ocurre dentro del centro de reacción del PSII. Los electrones se transfieren a la plastoquinona y dos protones, generando plastoquinol, que se libera en la membrana como portador de electrones móvil. Este es el segundo proceso central de la fotosíntesis. Las etapas iniciales ocurren en picosegundos , con una eficiencia del 100%. La eficiencia aparentemente imposible se debe al posicionamiento preciso de las moléculas dentro del centro de reacción. Este es un proceso de estado sólido , no una reacción química típica. Ocurre dentro de un ambiente esencialmente cristalino creado por la estructura macromolecular del PSII. Las reglas habituales de la química (que implican colisiones aleatorias y distribuciones aleatorias de energía) no se aplican en entornos de estado sólido.
Cuando la clorofila P 680 * excitada pasa el electrón a feofitina, se convierte en P 680 + de alta energía , que puede oxidar la molécula de tirosina Z (o YZ ) arrancando uno de sus átomos de hidrógeno. La tirosina oxidada de alta energía desprende su energía y regresa al estado fundamental tomando un protón y eliminando un electrón del complejo que desprende oxígeno y, en última instancia, del agua. [4] El diagrama de estado S de Kok muestra las reacciones de división del agua en el complejo que desprende oxígeno.
PSII es una estructura transmembrana que se encuentra en todos los cloroplastos. Divide el agua en electrones, protones y oxígeno molecular. Los electrones se transfieren al plastoquinol, que los transporta a una bomba de protones. El oxígeno se libera a la atmósfera.
La aparición de una estructura tan increíblemente compleja, una macromolécula que convierte la energía de la luz solar en energía química y, por tanto, en un trabajo potencialmente útil con eficiencias que son imposibles en la experiencia ordinaria, parece casi mágica a primera vista. Por tanto, resulta de considerable interés que, en esencia, la misma estructura se encuentre en las bacterias violetas .
PSII y PSI están conectados por una bomba de protones transmembrana, complejo citocromo b 6 f (plastoquinol-plastocianina reductasa; EC 1.10.99.1). Los electrones del PSII son transportados por el plastoquinol a cyt b 6 f , donde se eliminan paso a paso (reformando la plastoquinona) y se transfieren a un transportador de electrones soluble en agua llamado plastocianina . Este proceso redox está acoplado al bombeo de cuatro protones a través de la membrana. El gradiente de protones resultante (junto con el gradiente de protones producido por el complejo de división del agua en PSI) se utiliza para producir ATP a través de la ATP sintasa.
La estructura y función del citocromo b 6 f (en los cloroplastos) es muy similar al citocromo bc 1 ( Complejo III en las mitocondrias). Ambas son estructuras transmembrana que eliminan electrones de un portador de electrones móvil y soluble en lípidos (plastoquinona en los cloroplastos; ubiquinona en las mitocondrias) y los transfieren a un portador de electrones móvil y soluble en agua (plastocianina en los cloroplastos; citocromo c en las mitocondrias ). Ambas son bombas de protones que producen un gradiente de protones transmembrana. De hecho, el citocromo b 6 y la subunidad IV son homólogos al citocromo b mitocondrial [5] y las proteínas Rieske hierro-azufre de los dos complejos son homólogas. [6] Sin embargo, el citocromo f y el citocromo c 1 no son homólogos. [7]
PSI acepta electrones de la plastocianina y los transfiere al NADPH ( transporte de electrones no cíclico ) o de regreso al citocromo b 6 f ( transporte de electrones cíclico ):
plastocianina → P700 → P700 * → FNR → NADPH ↑ ↓ b 6 f ← filoquinona
PSI, como PSII, es una estructura transmembrana compleja y altamente organizada que contiene clorofilas antena, un centro de reacción (P700), filoquinona y varias proteínas de hierro y azufre que sirven como portadores redox intermedios.
El sistema de captación de luz de PSI utiliza múltiples copias de las mismas proteínas transmembrana utilizadas por PSII. La energía de la luz absorbida (en forma de electrones deslocalizados de alta energía) se canaliza hacia el centro de reacción, donde excita moléculas especiales de clorofila (P700, con absorción máxima de luz a 700 nm) a un nivel de energía superior. El proceso se produce con una eficiencia sorprendentemente alta.
Los electrones se eliminan de las moléculas de clorofila excitadas y se transfieren a través de una serie de transportadores intermedios a la ferredoxina , un transportador de electrones soluble en agua. Al igual que en PSII, este es un proceso de estado sólido que opera con un 100% de eficiencia.
Hay dos vías diferentes de transporte de electrones en PSI. En el transporte de electrones no cíclico , la ferredoxina transporta el electrón a la enzima ferredoxina NADP.+
reductasa (FNR) que reduce NADP+
a NADPH. En el transporte cíclico de electrones , los electrones de la ferredoxina se transfieren (a través del plastoquinol) a una bomba de protones, el citocromo b 6 f . Luego se devuelven (a través de plastocianina) a P700. NADPH y ATP se utilizan para sintetizar moléculas orgánicas a partir de CO
2. La relación entre la producción de NADPH y ATP se puede ajustar ajustando el equilibrio entre el transporte de electrones cíclico y no cíclico.
Es de destacar que el PSI se parece mucho a las estructuras fotosintéticas que se encuentran en las bacterias verdes del azufre , al igual que el PSII se parece a las estructuras que se encuentran en las bacterias de color púrpura.
PSII, PSI y citocromo b 6 f se encuentran en los cloroplastos. Todas las plantas y todas las algas fotosintéticas contienen cloroplastos, que producen NADPH y ATP mediante los mecanismos descritos anteriormente. En esencia, las mismas estructuras transmembrana también se encuentran en las cianobacterias .
A diferencia de las plantas y las algas, las cianobacterias son procariotas. No contienen cloroplastos; más bien, tienen un parecido sorprendente con los propios cloroplastos. Esto sugiere que organismos parecidos a las cianobacterias fueron los precursores evolutivos de los cloroplastos. Uno imagina células eucariotas primitivas que incorporan cianobacterias como simbiontes intracelulares en un proceso conocido como endosimbiosis .
Las cianobacterias contienen tanto PSI como PSII. Su sistema de captación de luz es diferente al que se encuentra en las plantas (utilizan ficobilinas , en lugar de clorofilas, como pigmentos antena), pero su cadena de transporte de electrones
h
2O → PSII → plastoquinol → b 6 f → citocromo c 6 → PSI → ferredoxina → NADPH ↑ ↓ b 6 f ← plastoquinolEs, en esencia, la misma que la cadena de transporte de electrones en los cloroplastos. El portador de electrones móvil soluble en agua es el citocromo c 6 en las cianobacterias, habiendo sido reemplazado por plastocianina en las plantas. [8]
Las cianobacterias también pueden sintetizar ATP mediante fosforilación oxidativa, al igual que otras bacterias. La cadena de transporte de electrones es
NADH deshidrogenasa → plastoquinol → b 6 f → cyt c 6 → cyt aa 3 → O
2
donde los transportadores de electrones móviles son el plastoquinol y el citocromo c 6 , mientras que las bombas de protones son la NADH deshidrogenasa, el cyt b 6 f y el citocromo aa 3 (miembro de la familia COX3 ).
Las cianobacterias son las únicas bacterias que producen oxígeno durante la fotosíntesis. La atmósfera primordial de la Tierra era anóxica. Organismos como las cianobacterias produjeron nuestra atmósfera actual que contiene oxígeno.
Los otros dos grupos principales de bacterias fotosintéticas, las bacterias púrpuras y las bacterias verdes del azufre, contienen un solo fotosistema y no producen oxígeno.
Las bacterias moradas contienen un único fotosistema que está estructuralmente relacionado con el PSII en las cianobacterias y los cloroplastos:
Este es un proceso cíclico en el que se eliminan electrones de una molécula de clorofila excitada ( bacterioclorofila ; P870), se pasan a través de una cadena de transporte de electrones hasta una bomba de protones (complejo citocromo bc 1 ; similar al cloroplástico) y luego se devuelven a la clorofila. molécula. El resultado es un gradiente de protones que se utiliza para producir ATP a través de la ATP sintasa. Como en las cianobacterias y los cloroplastos, este es un proceso en estado sólido que depende de la orientación precisa de varios grupos funcionales dentro de una estructura macromolecular transmembrana compleja.
Para producir NADPH, las bacterias violetas utilizan un donante de electrones externo (hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, azufre, sulfito o moléculas orgánicas como succinato y lactato) para alimentar electrones a una cadena de transporte de electrones inverso.
Las bacterias verdes de azufre contienen un fotosistema análogo al PSI en los cloroplastos:
P840 → P840 * → ferredoxina → NADH ↑ ↓ cyt c 553 ← antes de Cristo 1 ← menaquinol
Hay dos vías de transferencia de electrones. En la transferencia cíclica de electrones , los electrones se eliminan de una molécula de clorofila excitada, se pasan a través de una cadena de transporte de electrones hasta una bomba de protones y luego se devuelven a la clorofila. Los portadores de electrones móviles son, como es habitual, una quinona soluble en lípidos y un citocromo soluble en agua. El gradiente de protones resultante se utiliza para producir ATP.
En la transferencia de electrones no cíclica , los electrones se eliminan de una molécula de clorofila excitada y se utilizan para reducir NAD + a NADH. Los electrones eliminados del P840 deben reemplazarse. Esto se logra eliminando electrones de H
2S , que se oxida a azufre (de ahí el nombre "bacterias verdes del azufre ").
Las bacterias púrpuras y las bacterias verdes del azufre ocupan nichos ecológicos relativamente menores en la biosfera actual. Son de interés por su importancia en las ecologías precámbricas y porque sus métodos de fotosíntesis fueron los probables precursores evolutivos de los de las plantas modernas.
Las primeras ideas sobre el uso de la luz en la fotosíntesis fueron propuestas por Colin Flannery en 1779 [9] , quien reconoció que lo que se necesitaba era la luz solar que caía sobre las plantas, aunque Joseph Priestley había notado la producción de oxígeno sin asociación con la luz en 1772. [10 ] Cornelis Van Niel propuso en 1931 que la fotosíntesis es un caso de mecanismo general en el que se utiliza un fotón de luz para fotodescomponer un donante de hidrógeno y el hidrógeno se utiliza para reducir el CO.
2. [11]
Luego, en 1939, Robin Hill demostró que los cloroplastos aislados producirían oxígeno, pero no fijarían CO .
2, que muestra las reacciones de luz y oscuridad que ocurrieron en diferentes lugares. Aunque se las conoce como reacciones de luz y de oscuridad, ambas tienen lugar sólo en presencia de luz. [12] Esto condujo más tarde al descubrimiento de los fotosistemas I y II.