Fase luminosa

En la fotosíntesis, las reacciones fotodependientes, también llamadas fase luminosa, fase clara, fase fotoquímica o reacción de Hill, tienen lugar en las membranas de los tilacoides. El interior de la membrana tilacoidea se denomina lumen, y el exterior de la membrana tilacoidea es el estroma, donde tienen lugar las reacciones independientes de la luz. La membrana tilacoide contiene algunos complejos proteicos de membrana integrales que catalizan las reacciones luminosas. Hay cuatro complejos proteicos principales en la membrana tilacoide: fotosistema II (PSII), complejo de citocromo b6f, fotosistema I (PSI) y ATP sintasa. Estos cuatro complejos trabajan juntos para finalmente producir ATP y NADPH.

Los fotosistemas absorben la energía de la luz a través de los pigmentos, principalmente las clorofilas, que son las responsables del color verde de las hojas. Las reacciones dependientes de la luz comienzan en el fotosistema II. Los fotosistemas siguen un orden contrario a la intuición debido a que siguen el orden del descubrimiento en lugar del orden de participación en el proceso. Cuando una molécula de clorofila dentro del centro de reacción del PSII absorbe un fotón, un electrón en esta molécula alcanza un nivel de energía excitado. Debido a que este estado de un electrón es relativamente inestable, el electrón se transfiere a una molécula aceptora de electrones creando una cadena de reacciones redox, llamada cadena de transporte de electrones. Los electrones fluyen del PSII al citocromo b ₆ fa PSI. En PSI, el electrón recibe energía de otro fotón. El aceptor final de electrones es NADP. En la fotosíntesis oxigénica, el primer donante de electrones es el agua, creando oxígeno como un producto de desecho de alta energía. En la fotosíntesis anoxigénica se utilizan varios donantes de electrones.

El citocromo b ₆ f y la ATP sintasa trabajan juntos para crear ATP. Este proceso, llamado fotofosforilación, ocurre de dos maneras diferentes. En la fotofosforilación no cíclica, el citocromo b ₆ f utiliza electrones del PSII y energía del PSI para bombear protones desde el estroma hasta 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 usa electrones y energía de 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 oxigénica es:2 horas₂O + 2 NADP + 3ADP + 3P _i → O₂+ 2H + 2NADPH + 3ATP

Los dos fotosistemas son complejos de proteínas que absorben fotones y pueden usar esta energía para crear una cadena fotosintética de transporte de electrones. Los fotosistemas I y II utilizan proteínas especiales, llamadas complejos captadores de luz, para absorber los fotones con una eficacia muy alta. Si una molécula de pigmento especial en un centro de reacción fotosintético absorbe un fotón, un electrón en 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 comienzo del flujo de electrones y transforma la energía de la luz en formas químicas.

Diferencia entre la reacción de luz y oscuridad:

Reacción de luz: también se denomina reacción fotoquímica, depende directamente de la luz, su producto es NADPH y ATP

Reacciones dependientes de la luz

En química, muchas reacciones dependen de la absorción de fotones para proporcionar la energía necesaria para superar la barrera de la 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 los organismos vivos.

El centro de reacción

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 lumen tilacoidal) de la membrana. Este dímero se denomina 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, por lo que se llama P680. En PSI, absorbe fotones a 700 nm y se llama P700. En 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 correcta 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 superior es inestable y volverá rápidamente a su nivel de energía inferior normal. Para ello, debe liberar la energía absorbida. Esto puede suceder de varias maneras. La energía adicional puede convertirse en movimiento molecular y perderse como calor, o volver a emitirse por el electrón como luz (fluorescencia). La energía, pero no el electrón mismo, 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 volvería al estado fundamental, pero debido a que el centro de reacción está dispuesto de manera que un aceptor de electrones adecuado está cerca, el aceptor toma el electrón excitado. La pérdida del electrón le da al par especial una carga positiva y, como proceso de ionización, aumenta aún más su energía.La formación de una carga positiva en el par especial y una carga negativa en el aceptor se denomina separación de carga fotoinducida. El electrón se puede transferir a otra molécula. A medida que el pigmento ionizado vuelve al estado fundamental, toma un electrón y cede energía al complejo de evolución de 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 de estas reacciones para convertir la energía del sol en propia.

Esta separación de carga inicial ocurre en menos de 10 picosegundos (10 segundos). En sus estados de alta energía, el pigmento especial y el aceptor podrían sufrir una recombinación de carga; es decir, el electrón del aceptor podría retroceder para neutralizar la carga positiva del 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 de PSII, este reflujo de electrones puede producir especies reactivas de oxígeno que conducen a la fotoinhibición. Tres factores en la estructura del centro de reacción trabajan juntos para suprimir casi por completo la recombinación de carga:

• Otro aceptor de electrones está a menos de 1 nanómetro del primer aceptor, por lo que el electrón se transfiere rápidamente más lejos del par especial.
• Un donante de electrones está a menos de 1 nm del par especial, por lo que la carga positiva se neutraliza mediante la transferencia de otro electrón.
• La transferencia de electrones desde el aceptor de electrones al par especial cargado positivamente es especialmente lenta. La velocidad de una reacción de transferencia de electrones aumenta con su favorabilidad termodinámica hasta cierto punto y luego disminuye. La transferencia inversa es tan favorable que tiene lugar en la región invertida donde las tasas de transferencia de electrones se vuelven más lentas.

Por lo tanto, la transferencia de electrones procede de manera eficiente desde el primer aceptor de electrones al siguiente, creando una cadena de transporte de electrones que termina cuando alcanza el NADPH.

En cloroplastos

El proceso de fotosíntesis en los cloroplastos comienza cuando un electrón de P680 de PSII alcanza un nivel de energía superior. Esta energía se utiliza para reducir una cadena de aceptores de electrones que posteriormente tienen mayores potenciales redox. Esta cadena de aceptores de electrones se conoce como cadena de transporte de electrones. Cuando esta cadena alcanza el PSI, un electrón se vuelve a excitar, creando un alto potencial redox. La cadena de transporte de electrones de la fotosíntesis a menudo se pone en un diagrama llamado esquema Z, porque el diagrama redox de P680 a P700 se parece a la letra Z.

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 último donante de electrones de 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 al plastoquinol nuevamente, 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 NADPal NADPH.

Las actividades de la cadena de transporte de electrones, especialmente del citocromo b ₆ f, conducen al bombeo de protones desde el estroma hacia la luz. El gradiente de protones transmembrana resultante se usa para producir ATP a través de la ATP sintasa.

El proceso general de la cadena de transporte de electrones fotosintéticos en los cloroplastos es:H₂O → PSII → plastoquinol → cyt b ₆ f → plastocianina → PSI → NADPH

Fotosistema II

PSII es extremadamente complejo, una estructura transmembrana altamente organizada que contiene un complejo de división de 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:H₂O → P680 → P680 → plastoquinol

El plastoquinol, a su vez, transfiere electrones a cyt b ₆ f, que los alimenta a PSI.

El complejo divisorio del agua

el paso h₂O → P680 es realizado por una estructura imperfectamente entendida incrustada dentro de 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,2 horas₂O → 4H + 4e + O₂

usando energía de P680. Los pasos reales de la reacción anterior posiblemente ocurran de la siguiente manera (diagrama de Kok de los estados S): (I) 2 H₂O (monóxido) (II) OH. H₂O (hidróxido) (III) H₂O₂(peróxido) (IV) HO₂(superóxido)(V) O₂(di-oxígeno). (Mecanismo de Dolai)

Los electrones se transfieren a moléculas de clorofila especiales (incrustadas en PSII) que son promovidas a un estado de mayor energía por la energía de los fotones.

El centro de reacción

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 en la fotosíntesis, y ocurre con una eficiencia asombrosa (superior al 90 %) porque, además de la excitación directa por la luz a 680 nm, la energía de la luz es recolectada primero por las proteínas antena 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 al plastoquinol, que ocurre dentro del centro de reacción de PSII. Los electrones se transfieren a la plastoquinona y dos protones, generando plastoquinol, que se libera en la membrana como transportador 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 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 entorno esencialmente cristalino creado por la estructura macromolecular de PSII. Las reglas habituales de la química (que implican colisiones aleatorias y distribuciones de energía aleatorias) no se aplican en entornos de estado sólido.

Enlace del complejo de división del agua y la excitación de la clorofila.

Cuando la clorofila P _{680 excitada 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 eliminando un electrón del complejo generador de oxígeno y, en última instancia, del agua. El diagrama de estado S de Kok muestra las reacciones de la división del agua en el complejo generador de oxígeno.

Resumen

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 lleva a una bomba de protones. El oxígeno molecular de alta energía 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 lo tanto, en un trabajo potencialmente útil con eficiencias que son imposibles en la experiencia ordinaria, parece casi mágica a primera vista. Por lo tanto, es de considerable interés que, en esencia, se encuentre la misma estructura en las bacterias moradas.

Citocromo b ₆ f

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 por etapas (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 de agua en PSI) se usa para producir ATP a través de la ATP sintasa.

La estructura y función del citocromo bb ₆ f (en los cloroplastos) es muy similar al citocromo bc ₁ (Complejo III en las mitocondrias). Ambas son estructuras transmembrana que extraen electrones de un transportador de electrones soluble en lípidos móvil (plastoquinona en cloroplastos; ubiquinona en mitocondrias) y los transfiere a un transportador de electrones soluble en agua móvil (plastocianina en cloroplastos; citocromo c en 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 y las proteínas de hierro-azufre de Rieske de los dos complejos son homólogas.Sin embargo, el citocromo f y el citocromo c ₁ no son homólogos.

Fotosistema I

PSI acepta electrones de la plastocianina y los transfiere a NADPH (transporte de electrones no cíclico) o de vuelta al citocromo bb ₆ f (transporte de electrones cíclico):

                        plastocianina → P700 → P700 → FNR → NADPH
                             ↑ ↓
                           b 6 f         ←     filoquinona

El PSI, como el PSII, es una estructura transmembrana compleja y altamente organizada que contiene antenas de clorofilas, un centro de reacción (P700), filoquinona y varias proteínas de hierro y azufre que sirven como transportadores 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 máxima absorción de luz a 700 nm) a un nivel de energía superior. El proceso ocurre con una eficiencia asombrosamente 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 una eficiencia del 100%.

Hay dos vías diferentes de transporte de electrones en PSI. En el transporte de electrones no cíclico, la ferredoxina lleva el electrón a la enzima ferredoxina NADPreductasa (FNR) que reduce NADPal 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 (mediante plastocianina) a P700. NADPH y ATP se utilizan para sintetizar moléculas orgánicas a partir de CO₂. La relación entre la producción de NADPH y ATP se puede ajustar ajustando el equilibrio entre el transporte de electrones cíclico y no cíclico.

Cabe señalar 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 moradas.

En bacterias

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 por 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 los organismos que se asemejan a las cianobacterias fueron los precursores evolutivos de los cloroplastos. Uno se imagina células eucariotas primitivas tomando cianobacterias como simbiontes intracelulares en un proceso conocido como endosimbiosis.

Cianobacterias

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 de antena), pero su cadena de transporte de electrones

         H2O → PSII → plastoquinol → b 6 f → citocromo c 6 → PSI → ferredoxina   →   NADPH   
                                                  ↑ ↓
                                                 b 6 f        ←      plastoquinol

es, en esencia, lo mismo que la cadena de transporte de electrones en los cloroplastos. El portador de electrones soluble en agua móvil es el citocromo c ₆ en las cianobacterias, que ha sido reemplazado por plastocianina en las plantas.

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 → cyt c 6 → cyt aa 3 → O    2

donde los transportadores de electrones móviles son plastoquinol y citocromo c ₆, mientras que las bombas de protones son NADH deshidrogenasa, cyt b ₆ f y 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 moradas y las bacterias verdes del azufre, contienen un solo fotosistema y no producen oxígeno.

Bacterias moradas

Las bacterias moradas contienen un solo fotosistema que está relacionado estructuralmente con el PSII en cianobacterias y cloroplastos:P870 → P870 → ubiquinona → cyt bc ₁ → cyt c ₂ → P870

Este es un proceso cíclico en el que se extraen electrones de una molécula de clorofila excitada (bacteroclorofila; P870), pasan a través de una cadena de transporte de electrones a una bomba de protones (complejo de citocromo bc ₁; similar al cloroplástico) y luego regresan a la clorofila. molécula. El resultado es un gradiente de protones que se usa para producir ATP a través de la ATP sintasa. Al igual que en las cianobacterias y los cloroplastos, este es 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 moradas usan un donador de electrones externo (hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, azufre, sulfito o moléculas orgánicas como succinato y lactato) para alimentar electrones en una cadena de transporte de electrones inversos.

Bacterias verdes del azufre

Las bacterias verdes del azufre contienen un fotosistema que es análogo al PSI en los cloroplastos:

                           P840 → P840 → ferredoxina → NADH
                              ↑ ↓
                           cyt c 553  ← bc 1 ← menaquinol  

Hay dos vías de transferencia de electrones. En la transferencia cíclica de electrones, los electrones se extraen de una molécula de clorofila excitada, se pasan a través de una cadena de transporte de electrones a una bomba de protones y luego se devuelven a la clorofila. Los transportadores de electrones móviles son, como de costumbre, una quinona soluble en lípidos y un citocromo soluble en agua. El gradiente de protones resultante se usa para producir ATP.

En la transferencia de electrones no cíclicos, los electrones se eliminan de una molécula de clorofila excitada y se utilizan para reducir el NAD a NADH. Los electrones eliminados de P840 deben ser reemplazados. Esto se logra eliminando electrones de H₂S, que se oxida a azufre (de ahí el nombre de "bacteria verde de azufre ").

Las bacterias moradas 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.

Historia

Las primeras ideas sobre el uso de la luz en la fotosíntesis fueron propuestas por Colin Flannery en 1779, quien reconoció que lo que se requería era la luz solar que caía sobre las plantas, aunque Joseph Priestley había notado la producción de oxígeno sin la asociación con la luz en 1772. Cornelis Van Niel propuso en 1931 que la fotosíntesis es un caso de mecanismo general en el que un fotón de luz se usa para fotodescomponer un donante de hidrógeno y el hidrógeno se usa para reducir el CO₂. Luego, en 1939, Robin Hill demostró que los cloroplastos aislados producían oxígeno, pero no fijaban el CO.₂, mostrando las reacciones de luz y oscuridad ocurridas en diferentes lugares. Aunque se les conoce como reacciones de luz y oscuridad, ambas tienen lugar solo en presencia de luz. Esto condujo más tarde al descubrimiento de los fotosistemas I y II.