Un centro de reacción fotosintético es un complejo de varias proteínas , pigmentos biológicos y otros cofactores que juntos ejecutan las reacciones primarias de conversión de energía de la fotosíntesis . Las excitaciones moleculares, ya sea que se originen directamente de la luz solar o se transfieran como energía de excitación a través de sistemas de antenas de recolección 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 que absorben la luz (también llamadas 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 H 2 O o sulfuro de hidrógeno hacia dióxido de carbono, produciendo finalmente glucosa . Estos pasos de transferencia de electrones finalmente dan como resultado 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 de captación de luz en 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 de captación de luz . El centro de reacción encontrado en la bacteria Rhodopseudomonas es actualmente mejor comprendido, ya que fue el primer centro de reacción de estructura conocida y tiene menos cadenas polipeptídicas que los ejemplos en plantas verdes. [1]
Un centro de reacción está dispuesto de tal manera que captura la energía de un fotón usando moléculas de pigmento y la convierte en una forma utilizable. Una vez que la energía de la luz ha sido absorbida directamente por las moléculas de pigmento, o pasada a ellas por transferencia de resonancia desde un complejo de recolección 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 extraer electrones y protones de él. En las plantas verdes, la cadena de transporte de electrones tiene muchos aceptores de electrones, incluyendo feofitina , quinona , plastoquinona , citocromo bf y ferredoxina , que dan como resultado finalmente 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 da como resultado el bombeo de protones (iones de hidrógeno) desde el estroma del cloroplasto hacia el lumen , lo que genera un gradiente de protones a través de la membrana del tilacoide que se puede utilizar para sintetizar ATP mediante la 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 triosa.
Se reconocen dos clases de centros de reacción. El tipo I, que se encuentra en las bacterias verdes del azufre , Heliobacteria y PS-I de plantas/cianobacterias, utiliza grupos de azufre de hierro como aceptores de electrones. El tipo II, que se encuentra en chloroflexus , bacterias púrpuras y PS-II de plantas/cianobacterias, utiliza quinonas. No solo todos los miembros dentro de cada clase comparten un ancestro común, sino que las dos clases también, por medio de una estructura común, parecen estar relacionadas. [2] [3]
Las cianobacterias, precursoras de los cloroplastos que se encuentran en las plantas verdes, poseen ambos fotosistemas con ambos tipos de centros de reacción. La combinación de ambos sistemas permite producir oxígeno. [3]
Esta sección trata del sistema tipo II que se encuentra en las bacterias púrpuras. [3]
El centro de reacción fotosintético bacteriano 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 púrpuras. 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 lo que compartieron el Premio Nobel en 1988. [5] Esto también fue significativo por ser la primera estructura cristalina 3D de cualquier complejo de proteína de membrana.
Se encontró que cuatro subunidades diferentes son importantes para la función del centro de reacción fotosintético. 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, ambas 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 asociadas con las subunidades L y M. La subunidad H, que se muestra en oro, se encuentra en el lado citoplasmático de la membrana plasmática. Una subunidad de citocromo, que no se muestra aquí, contiene cuatro hemo de tipo c y se encuentra en la superficie periplásmica (externa) 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 e interactuantes 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 ser absorbida. El centro de reacción contiene dos pigmentos que sirven para recolectar y transferir la energía de la absorción de fotones: BChl y Bph. BChl se parece bastante a la molécula de clorofila que se encuentra en las plantas verdes, pero, debido a pequeñas diferencias estructurales, 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 el "par especial", absorbe fotones a 870 nm o 960 nm, dependiendo de la especie y, por lo tanto, se llama P870 (para Rhodobacter sphaeroides ) o P960 (para Blastochloris viridis ), donde P significa "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 el BPh. Este proceso tiene lugar en 10 picosegundos (10 −11 segundos). [1]
Las cargas en el P + y el BPh− podrían sufrir una recombinación de carga en este estado, lo que desperdiciaría la energía y la convertiría en calor . Varios factores de la estructura del centro de reacción sirven para evitar esto. 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) al aceptor de electrones quinona (Q A ), y la transferencia de un electrón a P960 + (P960 + se reduce a P960) desde un hemo en la subunidad del citocromo por encima del centro de reacción.
El electrón de alta energía que reside en la molécula de quinona fuertemente unida Q A se transfiere a una molécula de quinona intercambiable Q B . Esta molécula está asociada de forma vaga con la proteína y es bastante fácil de separar. 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 a 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 al 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, poseen ambos fotosistemas con ambos tipos de centros de reacción. La combinación de ambos sistemas permite producir oxígeno.
En 1772, el químico Joseph Priestley realizó una serie de experimentos relacionados con los gases que intervienen en la respiración y la combustión. En su primer experimento, encendió una vela y la colocó debajo de un frasco boca abajo. Después de un breve período de tiempo, la vela se apagó. Realizó un experimento similar con un ratón en el espacio reducido de la vela encendida. Descubrió que el ratón murió poco tiempo después de que la vela se hubiera apagado. Sin embargo, podía 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 fotosintético.
En 1779, Jan Ingenhousz llevó a cabo más de 500 experimentos a lo largo de 4 meses en un intento de comprender lo que realmente estaba sucediendo. Escribió sus descubrimientos en un libro titulado Experimentos con vegetales . Ingenhousz tomó plantas verdes y las sumergió en agua dentro de un tanque transparente. Observó muchas burbujas que subían de la superficie de las hojas cada vez que las plantas eran expuestas a la luz. Ingenhousz recogió el gas que emitían las plantas y realizó varias pruebas diferentes en un intento de determinar de qué gas se trataba. 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 era oxígeno o, como lo había llamado Joseph Priestley, " aire desflogistizado ".
En 1932, Robert Emerson y su alumno, William Arnold, utilizaron una técnica de flash repetitivo 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. Gaffron y Wohl interpretaron más tarde el experimento y se dieron cuenta de que la luz absorbida por la unidad fotosintética se transfería. [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 que genera los dos electrones que finalmente 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 bacteriano. 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 la plastoquinona mientras que QH 2 representa su forma reducida. Este proceso de reducción de la quinona es comparable al que tiene lugar en el centro de reacción bacteriano. El fotosistema II obtiene electrones oxidando el 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 se originara a partir del agua fue deducido por primera vez por el bioquímico estadounidense nacido en Canadá Martin David Kamen . Utilizó un isótopo estable del oxígeno, el 18 O, para rastrear la ruta 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 bacteriano. Debido a la presencia de clorofila a , a diferencia de la bacterioclorofila , el fotosistema II absorbe la luz a 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. Esta está encima y a la derecha del par en el diagrama y está coloreada en gris. El electrón viaja desde la molécula de feofitina a través de dos moléculas de plastoquinona, la primera fuertemente unida, la segunda débilmente unida. La molécula fuertemente unida se muestra encima de la molécula de feofitina y está coloreada en rojo. La molécula débilmente unida está a la izquierda de esta y también está coloreada en rojo. Este flujo de electrones es similar al del centro de reacción bacteriano. Se requieren dos electrones para reducir completamente la molécula de plastoquinona débilmente unida a QH 2, así como la captación 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 citocromo-c soluble en agua.
Cada vez que el P680 absorbe un fotón, cede un electrón a la feofitina, ganando una carga positiva. Después de esta separación de carga fotoinducida , el P680 + es un oxidante muy fuerte de alta energía. Pasa su energía a las moléculas de agua que están unidas en el centro de manganeso directamente debajo del par y extrae un electrón de ellas. Este centro, debajo y a la izquierda del par en el diagrama, contiene cuatro iones de manganeso, un ion de calcio , un ion 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 creado por el hombre.
Una vez que el electrón ha salido del Fotosistema II, se transfiere a un complejo de citocromo b6f y luego a la plastocianina , una proteína de cobre azul y transportadora 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 bacteriano, un par de moléculas de clorofila a inicia la separación de carga fotoinducida. Este par se conoce como P700 , donde 700 es una referencia a la longitud de onda en la que las moléculas de clorofila absorben 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 sobre el P700, a través de una molécula de quinona situada directamente sobre esta, a través de tres grupos 4Fe-4S y, finalmente, a un complejo intercambiable de ferredoxina. [10] La ferredoxina es una proteína soluble que contiene un grupo 2Fe-2S coordinado por cuatro residuos de cisteína. La carga positiva en el 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 de nuevo en Q. Por lo tanto, 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 el H2O hasta el NADP + , lo que produce el NADPH necesario para la síntesis de glucosa. Esta vía se denomina « esquema Z » porque el diagrama redox desde el H2O hasta el NADP + a través de P680 y P700 se parece a la letra Z. [11]