Las reacciones dependientes de la luz son ciertas reacciones fotoquímicas implicadas en la fotosíntesis , el principal proceso por el cual las plantas obtienen energía. Existen dos reacciones dependientes de la luz: la primera ocurre en el fotosistema II (PSII) y la segunda ocurre en el fotosistema I (PSI) .
El PSII absorbe un fotón para producir un electrón de alta energía que se transfiere a través de una cadena de transporte de electrones al citocromo b 6 f y luego al PSI. El PSI entonces 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 formas distintas. En la fotofosforilación no cíclica, el citocromo b 6 f usa electrones del PSII y energía del PSI [ cita requerida ] para bombear protones desde el estroma hasta el lumen . El gradiente de protones resultante a través de la membrana tilacoide crea una fuerza protón-motriz, 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 el 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 oxigenada es:
El PSI y el PSII son complejos captadores de luz . Si una molécula de pigmento especial en un centro de reacción fotosintético 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 de la luz 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. Estas reacciones van desde las reacciones con 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 estas reacciones, la serie de reacciones dependientes de la luz relacionadas con la fotosíntesis en los organismos vivos.
El centro de reacción se encuentra en la membrana tilacoide. Transfiere la energía luminosa absorbida a un dímero de moléculas de pigmento de clorofila cerca del lado periplásmico (o lumen tilacoide) de la membrana. Este dímero se llama par especial debido a 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 y, por lo tanto, se llama 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, están 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 muy poca o demasiada energía no puede ser absorbida y se refleja. El electrón en el nivel de energía más alto es inestable y regresará rápidamente a su nivel de energía inferior normal. Para hacer esto, debe liberar la energía absorbida. Esto puede suceder de varias maneras. La energía adicional puede convertirse en movimiento molecular y perderse como calor, o ser reemitida por el electrón como luz ( fluorescencia ). La energía, pero no el electrón en sí, puede pasar a otra molécula; esto se llama transferencia de energía de resonancia . Si un electrón del par especial en el centro de reacción se excita, no puede transferir esta energía a otro pigmento utilizando la transferencia de energía de resonancia. En circunstancias normales, el electrón regresaría al estado fundamental, pero debido a que el centro de reacción está dispuesto de manera que un aceptor de electrones adecuado está cerca, el electrón excitado es absorbido por el aceptor. La pérdida del electrón le da al par especial una carga positiva y, como un 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 puede transferirse a otra molécula. A medida que el pigmento ionizado regresa al estado fundamental, toma un electrón y emite energía al complejo que evoluciona el oxígeno para que pueda dividir el agua en electrones, protones y oxígeno molecular (después de recibir energía del pigmento cuatro veces). Los pigmentos vegetales generalmente utilizan las dos últimas de estas reacciones para convertir la energía del sol en su propia energía.
Esta separación de carga inicial ocurre en menos de 10 picosegundos (10 -11 segundos). En sus estados de alta energía, el pigmento especial y el aceptor podrían experimentar una recombinación de carga; es decir, el electrón del aceptor podría retroceder para neutralizar la carga positiva en el par especial. Su regreso 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:
De esta manera, la transferencia de electrones se realiza de manera eficiente desde el primer aceptor de electrones al siguiente, creándose una cadena de transporte de electrones que finaliza cuando ha llegado al NADPH .
El proceso de fotosíntesis en los cloroplastos comienza cuando un electrón de P680 de PSII alcanza un nivel de energía más alto . 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 coloca 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 transportador de electrones móvil en la membrana. El plastoquinol transfiere el electrón del PSII a la bomba de protones, el citocromo b6f . El donante de electrones final del PSII es el agua. El citocromo b 6 f transfiere la cadena de electrones al PSI a través de moléculas de plastocianina . El 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. El PSI libera FNR en el estroma , donde reduce el NADP+
al NADPH .
Las actividades de la cadena de transporte de electrones, especialmente las del citocromo b 6 f , conducen al bombeo de protones desde el estroma hasta el lumen. El gradiente de protones transmembrana resultante se utiliza para producir ATP a través de la ATP sintasa .
El proceso general de la cadena de transporte de electrones fotosintética en los cloroplastos es:
El PSII es extremadamente complejo, una estructura transmembrana altamente organizada que contiene un complejo de descomposición 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 al citocromo b 6 f , que los alimenta al PSI.
El paso H
2La O → P680 se lleva a cabo mediante una estructura poco comprendida incrustada en el PSII llamada complejo de descomposición del agua o complejo generador 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 ocurran de la siguiente manera (diagrama de Kok de estados S): (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 (integradas en el 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 el 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 se produce con una eficiencia asombrosa (superior al 90%) porque, además de la excitación directa por la luz a 680 nm, la energía de la luz recogida primero por las proteínas de antena en otras longitudes de onda en el sistema de captación de luz también se transfiere a estas moléculas especiales de clorofila.
A esto le sigue la transferencia de electrones P680 * → feofitina , y luego al 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 un portador de electrones móvil. Este es el segundo proceso central en la fotosíntesis. Las etapas iniciales ocurren en picosegundos , con una eficiencia del 100%. La eficiencia aparentemente imposible se debe a la posición precisa de las moléculas dentro del centro de reacción. Este es un proceso de estado sólido , no una reacción química típica. Ocurre dentro de un entorno esencialmente cristalino creado por la estructura macromolecular del PSII. Las reglas habituales de la química (que involucran colisiones aleatorias y distribuciones de energía aleatorias) no se aplican en entornos de estado sólido.
Cuando la clorofila excitada P 680 * pasa el electrón a la feofitina, se convierte en P 680 + de alta energía , que puede oxidar la molécula de tirosina Z (o Y Z ) arrancando uno de sus átomos de hidrógeno. La tirosina oxidada de alta energía emite su energía y regresa al estado fundamental tomando un protón y quitando un electrón del complejo que desarrolla 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 desarrolla oxígeno.
El PSII es una estructura transmembrana presente 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.
El surgimiento de una estructura tan increíblemente compleja, una macromolécula que convierte la energía de la luz solar en energía química y, por lo tanto, en un trabajo potencialmente útil con eficiencias que son imposibles en la experiencia ordinaria, parece casi mágico a primera vista. Por lo tanto, es de considerable interés que, en esencia, la misma estructura se encuentre en las bacterias púrpuras .
El PSII y el PSI están conectados por una bomba de protones transmembrana, el complejo citocromo b 6 f (plastoquinol—plastocianina reductasa; EC 1.10.99.1). Los electrones del PSII son transportados por el plastoquinol al citocromo b 6 f , donde son eliminados de manera gradual (reformando plastoquinona) y transferidos 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 de agua en el 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). Ambos son estructuras transmembrana que extraen electrones de un transportador de electrones móvil soluble en lípidos (plastoquinona en los cloroplastos; ubiquinona en las mitocondrias) y los transfieren a un transportador de electrones móvil soluble en agua (plastocianina en los cloroplastos; citocromo c en las mitocondrias). Ambos 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 de hierro-azufre de Rieske de los dos complejos son homólogas. [6] Sin embargo, el citocromo f y el citocromo c 1 no son homólogos. [7]
El 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
El PSI, al igual que el PSII, es una estructura transmembrana compleja y altamente organizada que contiene clorofilas de 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 del PSI utiliza múltiples copias de las mismas proteínas transmembrana que utiliza el 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 máxima absorción de luz a 700 nm) a un nivel de energía más alto. El proceso se lleva a cabo con una eficiencia sorprendentemente alta.
Los electrones se extraen 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 el PSII, se trata de un proceso de estado sólido que funciona con una eficiencia del 100%.
Existen dos vías diferentes de transporte de electrones en la PSI. En el transporte de electrones no cíclico , la ferredoxina transporta el electrón a la enzima ferredoxina NADP+
reductasa (FNR) que reduce el NADP+
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 regresan (a través de la plastocianina) a P700. El NADPH y el ATP se utilizan para sintetizar moléculas orgánicas a partir del CO
2La relación entre la producción de NADPH y ATP se puede ajustar modificando el equilibrio entre el transporte de electrones cíclico y no cíclico.
Es de destacar que el PSI se parece mucho a las estructuras fotosintéticas encontradas en las bacterias verdes del azufre , al igual que el PSII se parece a las estructuras encontradas en las bacterias púrpuras.
El PSII, el PSI y el 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, sino que tienen un parecido sorprendente con ellos. Esto sugiere que los organismos parecidos a las cianobacterias fueron los precursores evolutivos de los cloroplastos. Uno se imagina que las células eucariotas primitivas adoptaron a las 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 (usan ficobilinas , en lugar de clorofilas, como pigmentos de antena), pero su cadena de transporte de electrones
yo
2O → PSII → plastoquinol → b 6 f → citocromo c 6 → PSI → ferredoxina → NADPH ↑ ↓ b 6 f ← plastoquinoles, en esencia, lo mismo que la cadena de transporte de electrones en los cloroplastos. El transportador de electrones móvil soluble en agua es el citocromo c 6 en las cianobacterias, que ha sido reemplazado por plastocianina en las plantas. [8]
Las cianobacterias también pueden sintetizar ATP por fosforilación oxidativa, al igual que otras bacterias. La cadena de transporte de electrones es
NADH deshidrogenasa → plastoquinol → b 6 f → cit c 6 → cit aa 3 → O
2
donde los transportadores móviles de electrones son el plastoquinol y el citocromo c 6 , mientras que las bombas de protones son la NADH deshidrogenasa, el citocromo 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 primigenia 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 púrpuras contienen un único fotosistema que está estructuralmente relacionado con el PSII en las cianobacterias y los cloroplastos:
Se trata de un proceso cíclico en el que se extraen electrones de una molécula de clorofila excitada ( bacterioclorofila ; P870), se pasan a través de una cadena de transporte de electrones a una bomba de protones (complejo citocromo bc 1 ; similar al cloroplástico) y luego se devuelven a la molécula de clorofila. El resultado es un gradiente de protones que se utiliza para fabricar ATP a través de la ATP sintasa. Al igual que en las cianobacterias y los cloroplastos, se trata de un proceso de estado sólido que depende de la orientación precisa de varios grupos funcionales dentro de una estructura macromolecular transmembrana compleja.
Para producir NADPH, las bacterias púrpuras 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 inversa.
Las bacterias verdes del azufre contienen un fotosistema análogo al PSI en los cloroplastos:
P840 → P840 * → ferredoxina → NADH ↑ ↓ cit c 553 ← bc 1 ← menaquinol
Existen dos vías de transferencia de electrones. En la transferencia cíclica de electrones , los electrones se extraen de una molécula de clorofila excitada, pasan a través de una cadena de transporte de electrones a una bomba de protones y luego regresan a la clorofila. Los transportadores móviles de electrones son, como es habitual, una quinona soluble en lípidos y un citocromo soluble en agua. El gradiente de protones resultante se utiliza para fabricar 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 de P840 deben reemplazarse. Esto se logra eliminando electrones de H
2S , que se oxida a azufre (de ahí el nombre de "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 debido a su importancia en las ecologías precámbricas y porque sus métodos de fotosíntesis fueron los precursores evolutivos probables de los de las plantas modernas.
Las primeras ideas sobre el uso de la luz en la fotosíntesis fueron propuestas por Jan IngenHousz en 1779 [9], quien reconoció que era la luz solar que caía sobre las plantas lo que se necesitaba, aunque Joseph Priestley había notado la producción de oxígeno sin la asociación con la luz en 1772. [10] Cornelis Van Niel propuso en 1931 que la fotosíntesis es un caso de mecanismo general donde un fotón de luz se usa para fotodescomponer un donante de hidrógeno y el hidrógeno se usa para reducir el CO
2. [11]
Luego, en 1939, Robin Hill demostró que los cloroplastos aislados producirían oxígeno, pero no fijarían CO.
2, mostrando que las reacciones de luz y oscuridad ocurrieron en diferentes lugares. Aunque se las conoce como reacciones de luz y oscuridad, ambas ocurren solo en presencia de luz. [12] Esto condujo más tarde al descubrimiento de los fotosistemas I y II.