Complejo citocromo b6f

El complejo citocromo b₆f (plastoquinol/plastocianina reductasa o plastoquinol/plastocianina oxidorreductasa; EC 7.1.1.6) es una enzima que se encuentra en la membrana tilacoide de los cloroplastos de plantas, cianobacterias y algas verdes, que cataliza la transferencia de electrones del plastoquinol a la plastocianina:

plastoquinol + 2 plastocyanina oxidada + 2 H⁺ [side 1] ⇌ ⇌ {displaystyle rightleftharpoons } plastoquinona + 2 plastocyanina reducida + 4 H⁺ [side 2].

La reacción es análoga a la reacción catalizada por cytochrome bc1 (Complex III) de la cadena de transporte de electrones mitocondriales. Durante la fotosíntesis, el citocromo b₆f complejo es un paso a lo largo de la cadena que transfiere electrones de Photosystem II a Photosystem I, y al mismo tiempo bombea protones en el espacio tilakoide, contribuyendo a la generación de un gradiente electroquímico (energía) que posteriormente se utiliza para sintetizar ATP de ADP.

Estructura de la enzima

El complejo citocromo b₆f es un dímero, y cada monómero está compuesto por ocho subunidades. Estos constan de cuatro subunidades grandes: un citocromo f de 32 kDa con un citocromo de tipo c, un citocromo b6 de 25 kDa con un grupo hemo de bajo y alto potencial, una proteína de hierro-azufre Rieske de 19 kDa que contiene un [2Fe-2S] grupo y una subunidad IV de 17 kDa; junto con cuatro subunidades pequeñas (3-4 kDa): PetG, PetL, PetM y PetN. El peso molecular total es 217 kDa.

Las estructuras cristalinas de los complejos de citocromo b₆f de Chlamydomonas reinhardtii, Mastigocladus laminosus y Nostoc sp. . Se han determinado PCC 7120.

El núcleo del complejo es estructuralmente similar al núcleo del citocromo bc₁. El citocromo b₆ y la subunidad IV son homólogos al citocromo b, y las proteínas Rieske hierro-azufre de los dos complejos son homólogas. Sin embargo, el citocromo f y el citocromo c1 no son homólogos.

El citocromo b₆f contiene siete grupos protésicos. Cuatro se encuentran tanto en el citocromo b₆f como en bc₁: el hemo de tipo c del citocromo c₁ y f, los dos b- escriba hemos (b_p y b_n) en bc₁ y b₆f, y el [2Fe- 2S] grupo de la proteína Rieske. En el citocromo b₆f se encuentran tres grupos protésicos únicos: clorofila a, β-caroteno y hemo c_n (también conocido como hemo x).

El espacio entre monómeros dentro del núcleo del dímero del complejo citocromo b6f está ocupado por lípidos, lo que proporciona direccionalidad a la transferencia de electrones hemo-hem mediante la modulación del entorno dieléctrico intraproteico.

Función biológica

En la fotosíntesis, el complejo citocromo b₆f funciona para mediar la transferencia de electrones y de energía entre los dos complejos del centro de reacción fotosintético, el fotosistema II y el fotosistema I, mientras transfiere protones desde el estroma del cloroplasto. a través de la membrana tilacoide hacia la luz. El transporte de electrones a través del citocromo b₆f es responsable de crear el gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP en los cloroplastos.

En una reacción separada, el complejo citocromo b₆f desempeña un papel central en la fotofosforilación cíclica, cuando el NADP+ no está disponible para aceptar electrones de la ferredoxina reducida. Este ciclo, impulsado por la energía de P700⁺, contribuye a la creación de un gradiente de protones que puede utilizarse para impulsar la síntesis de ATP. Se ha demostrado que este ciclo es esencial para la fotosíntesis, ayudando a mantener la proporción adecuada de producción de ATP/NADPH para la fijación de carbono.

Las reacciones de desprotonación-oxidación del quinol del lado p dentro del complejo citocromo b6f se han implicado en la generación de especies reactivas de oxígeno. Se ha sugerido que una molécula integral de clorofila ubicada dentro del sitio de oxidación del quinol realiza una función estructural, no fotoquímica, para mejorar la tasa de formación de especies reactivas de oxígeno, posiblemente para proporcionar una vía redox para la comunicación intracelular.

Mecanismo de reacción

El complejo citocromo b₆f es responsable del metabolismo "no cíclico" (1) y "cíclico" (2) transferencia de electrones entre dos portadores redox móviles, plastoquinol (QH₂) y plastocianina (Pc):

El citocromo b₆f cataliza la transferencia de electrones del plastoquinol a la plastocianina, mientras bombea dos protones desde el estroma hacia la luz del tilacoide:

QH₂ + 2Pc(Cu²⁺) + 2H⁺ (stroma) → Q + 2Pc(Cu⁺) + 4H⁺ (lumen)

Esta reacción ocurre a través del ciclo Q como en el Complejo III. Plastoquinol actúa como portador de electrones, transfiriendo sus dos electrones a cadenas de transporte de electrones de alto y bajo potencial (ETC) a través de un mecanismo llamado bifurcación de electrones. El complejo contiene hasta tres moléculas de plastoquinona que forman una red de transferencia de electrones que son responsables de la operación del ciclo Q y sus funciones de redox-sensing y catalítica en fotosíntesis.

Ciclo Q

Primera mitad del ciclo Q

1. QH₂ se une al lado positivo "p" del complejo. Es oxidado a una semiquinona (SQ) por el centro de hierro-sulfur (ETC de alto potencial) y libera dos protones a la tilakoide lumen.
2. El centro reducido de hierro-sulfur transfiere su electrón a través de citocromo f a Pc.
3. En el bajo potencial ETC, SQ transfiere su electron a heme b_p de citocromo b6.
4. Heme b_p entonces transfiere el electron a heme b_n.
5. Heme b_n reduce Q con un electrón para formar SQ.

Segunda mitad del ciclo Q

1. Un segundo QH₂ Se une al complejo.
2. En el ETC de alto potencial, un electrón reduce otro Pc oxidado.
3. En el bajo potencial ETC, el electron de heme b_n se transfiere a SQ, y la Q completamente reducida^{2 - 2} toma dos protones de la estroma para formar QH₂.
4. El Q oxidado y el QH reducido₂ que se ha regenerado difuso en la membrana.

Transferencia cíclica de electrones

A diferencia del complejo III, el citocromo b₆f cataliza otra reacción de transferencia de electrones que es fundamental para la fotofosforilación cíclica. El electrón de la ferredoxina (Fd) se transfiere a la plastoquinona y luego al complejo citocromo b₆f para reducir la plastocianina, que es reoxidada por P700 en el fotosistema I. El mecanismo exacto de reducción de la plastoquinona por la ferredoxina es todavía bajo investigación. Una propuesta es que existe una ferredoxina:plastoquinona-reductasa o una NADP deshidrogenasa. Dado que el hemo x no parece ser necesario para el ciclo Q y no se encuentra en el Complejo III, se ha propuesto que se utilice para la fotofosforilación cíclica mediante el siguiente mecanismo:

1. Fd (red) + heme x (ox) → Fd (ox) + heme x (red)
2. heme x (red) + Fd (red) + Q + 2H⁺ → heme x (ox) + Fd (ox) + QH₂