Fotosistema II
Fotosistema II (o agua-plastoquinona oxidorreductasa) es el primer complejo proteico en las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis oxigénica. Se encuentra en la membrana tilacoide de plantas, algas y cianobacterias. Dentro del fotosistema, las enzimas capturan fotones de luz para energizar electrones que luego se transfieren a través de una variedad de coenzimas y cofactores para reducir la plastoquinona a plastoquinol. Los electrones energizados son reemplazados por agua oxidante para formar iones de hidrógeno y oxígeno molecular.
Al reponer los electrones perdidos con electrones provenientes de la división del agua, el fotosistema II proporciona los electrones para que se produzca toda la fotosíntesis. Los iones de hidrógeno (protones) generados por la oxidación del agua ayudan a crear un gradiente de protones que la ATP sintasa utiliza para generar ATP. Los electrones energizados transferidos a la plastoquinona se utilizan en última instancia para reducir NADP+
a NADPH o se utilizan en flujo de electrones no cíclico. DCMU es una sustancia química que se utiliza a menudo en entornos de laboratorio para inhibir la fotosíntesis. Cuando está presente, DCMU inhibe el flujo de electrones desde el fotosistema II a la plastoquinona.
Estructura del complejo
El núcleo de PSII consiste en un heterodímero pseudosimétrico de dos proteínas homólogas D1 y D2. A diferencia de los centros de reacción de todos los demás fotosistemas en los que la carga positiva situada en el dímero de clorofila que sufre la separación de carga fotoinducida inicial es compartida por igual por los dos monómeros, en el PSII intacto la carga se localiza principalmente en un centro de clorofila (70-80%). Por esta razón, P680+ es altamente oxidante y puede participar en la descomposición del agua.
El fotosistema II (de cianobacterias y plantas verdes) está compuesto por alrededor de 20 subunidades (dependiendo del organismo), así como otras proteínas accesorias que captan la luz. Cada fotosistema II contiene al menos 99 cofactores: 35 clorofila a, 12 betacaroteno, dos feofitina, dos plastoquinona, dos hemo, un bicarbonato, 20 lípidos, el Mn
4CaO
5 grupo (incluidos dos iones cloruro), uno no hemo Fe2+
> y dos putativos Ca2+< br/> iones por monómero. Hay varias estructuras cristalinas del fotosistema II. Los códigos de acceso de PDB para esta proteína son 3WU2, 3BZ1, 3BZ2 (3BZ1 y 3BZ2 son estructuras monoméricas del dímero del Fotosistema II), 2AXT, 1S5L, 1W5C, 1ILX, 1FE1, 1IZL.
| Subunidad | Familia | Función |
|---|---|---|
| D1 (PsbA) | Centro de reacción fotográfica proteína familia | Proteína del centro de reacción, une clorofila P680, feofitina, betacaroteno,quinona y centro de manganeso |
| D2 (PsbD) | Proteína del centro de reacción | |
| CP43 (PsbC) | Proteína de captura de luz del sistema de foto II | Centro de manganeso Binds |
| CP47 (PsbB) | ||
| O | Proteína estabilizadora de manganes (InterPro:IPR002628) | Manganese Stabilizing Protein |
| Por convención, los nombres de los genes son formados por letra Psb + subunidad. Por ejemplo, la subunidad O es PsbO. Las excepciones son D1 (PsbA) y D2 (PsbD). | ||
| Cofactor | Función |
|---|---|
| Clorophyll | Absorbe energía ligera y la convierte en energía química |
| Betacaroteno | Quench exceso de energía fotoexcitación |
| Heme B559 | Libra a Cytochrome b559 (PsbE–PsbF) como portador de electrones secundario/protector |
| Pheophytin | Aceptador de electrones primario |
| Plastoquinona | Transportador de electrones de membrana intra-tilakoide móvil |
| Centro Manganese | También conocido como el centro de evolución de oxígeno, o OEC |
Complejo liberador de oxígeno (OEC)
El complejo que desprende oxígeno es el lugar de oxidación del agua. Es un grupo metalo-oxo que comprende cuatro iones de manganeso (en estados de oxidación que van de +3 a +4) y un ion de calcio divalente. Cuando oxida el agua, produciendo oxígeno gaseoso y protones, entrega secuencialmente los cuatro electrones del agua a una cadena lateral de tirosina (D1-Y161) y luego al propio P680. Está compuesto por tres subunidades proteicas, OEE1 (PsbO), OEE2 (PsbP) y OEE3 (PsbQ); un cuarto péptido PsbR está asociado cerca.
El primer modelo estructural del complejo que desprende oxígeno se resolvió mediante cristalografía de rayos X a partir de cristales de proteínas congelados con una resolución de 3,8 Å. Durante los años siguientes, la resolución del modelo se incrementó gradualmente hasta 2,9 Å. Si bien obtener estas estructuras fue en sí mismo una gran hazaña, no mostraban el complejo de evolución de oxígeno con todo detalle. En 2011, la OEC de PSII se resolvió a un nivel de 1,9 Å, revelando cinco átomos de oxígeno que sirven como puentes oxo que unen los cinco átomos de metal y cuatro moléculas de agua unidas al Mn
4CaO
5 clúster; Se encontraron más de 1.300 moléculas de agua en cada monómero del fotosistema II, algunas de las cuales forman extensas redes de enlaces de hidrógeno que pueden servir como canales para protones, moléculas de agua u oxígeno. En esta etapa, se sugiere que las estructuras obtenidas mediante cristalografía de rayos X están sesgadas, ya que hay evidencia de que los átomos de manganeso se reducen por los rayos X de alta intensidad utilizados, alterando la estructura OEC observada. Esto incentivó a los investigadores a llevar sus cristales a diferentes instalaciones de rayos X, llamadas láseres de electrones libres de rayos X, como SLAC en EE. UU. En 2014 se confirmó la estructura observada en 2011. Conocer la estructura del Fotosistema II no fue suficiente para revelar cómo funciona exactamente. Así que ahora ha comenzado la carrera para resolver la estructura del Fotosistema II en diferentes etapas del ciclo mecanicista (que se analiza a continuación). Actualmente, las estructuras del estado S1 y del estado S3 se han publicado casi simultáneamente a partir de dos grupos diferentes, mostrando la adición de una molécula de oxígeno denominada O6 entre Mn1 y Mn4, lo que sugiere que este puede ser el sitio en el complejo de evolución de oxígeno., donde se produce oxígeno.
División del agua
La división fotosintética del agua (o evolución del oxígeno) es una de las reacciones más importantes del planeta, ya que es la fuente de casi todo el oxígeno de la atmósfera. Además, la división artificial del agua mediante fotosíntesis puede contribuir al uso eficaz de la luz solar como fuente de energía alternativa.
El mecanismo de oxidación del agua se comprende con gran detalle. La oxidación del agua a oxígeno molecular requiere la extracción de cuatro electrones y cuatro protones de dos moléculas de agua. La evidencia experimental de que el oxígeno se libera mediante una reacción cíclica del complejo de evolución de oxígeno (OEC) dentro de un PSII fue proporcionada por Pierre Joliot et al. Han demostrado que, si el material fotosintético adaptado a la oscuridad (plantas superiores, algas y cianobacterias) se expone a una serie de destellos únicos, se detecta desprendimiento de oxígeno con una oscilación amortiguada típica del período cuatro con máximos en el tercer y séptimo destello. y con mínimos en el primer y quinto destello (para una revisión, ver). Basándose en este experimento, Bessel Kok y sus colaboradores introdujeron un ciclo de cinco transiciones inducidas por flash de los llamados estados S, describiendo los cuatro estados redox de OEC: Cuando se han aplicado cuatro equivalentes oxidantes almacenado (en el estado S4), OEC vuelve a su estado básico S0. A falta de luz, la OCE "relajará" al estado S1; el estado S1 a menudo se describe como "estable en la oscuridad". Se considera que el estado S1 está formado en gran medida por iones de manganeso con estados de oxidación de Mn3+, Mn3+, Mn4. +, Mn4+. Finalmente, Jablonsky y Lazar propusieron los estados S intermedios como mecanismo regulador y vínculo entre los estados S y la tirosina Z.
En 2012, Renger expresó la idea de cambios internos de las moléculas de agua en óxidos típicos en diferentes estados S durante la división del agua.
Inhibidores
Los inhibidores del PSII se utilizan como herbicidas. Hay dos familias químicas principales, las triazinas derivadas del cloruro cianúrico, de las cuales la atrazina y la simazina son las más utilizadas, y las aril ureas, que incluyen clortolurón y diurón (DCMU).