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FISIOLOGÍA VEGETAL TEMA 8: UTILIZACIÓN DE LA LUZ EN LA MEMBRANA FOTOSINTÉTICA

TEMA 8: UTILIZACIÓN DE LA LUZ EN LA MEMBRANA FOTOSINTÉTICA Membranas tilacoidales: componentes del aparato fotosintético. Utilización de la luz: absorción de la luz por la antena fotosintética y separación de cargas. Transporte electrónico fotosintético. Fotofosforilación. Partición de energía entre los fotosistemas. Mecanismos de protección frente a la irradiancia. 1. Fase lumínica (fotoabsorción). Membrana tilacoidal, fase físico/química. 2. Fase oscura (fotoasimilación). Estroma, fase bio/química. No es correcto utilizar el término de fase oscura porque algunas de las enzimas importantes de la fotoasimilación tienen una regulación por luz. Lo correcto en la actualidad es utilizar los términos de fotoabsorción y fotoasimilación. Fotoabsorción En la fase de fotoabsorción, unos fotones, sobre las moléculas adecuadas (clorofilas y carotenos) producen un estado de excitación (generación de excitones) que producen una energía física que se puede transferir en energía química tipo RedOx, que implica la producción de NADPH y ATP. La energía de excitación no sólo sirve para reducir CO 2 (hojas), la fotoabsorción también afecta al nitrato y al sulfato (raíces vía xilema). Por tanto, la fotosíntesis permite la fijación de carbono, nitrógeno y azufre, gracias a la energía y poder reductor obtenidos en la primera fase (el ATP y NADPH ponen en marcha la fase de asimilación). Por tanto, los productos de la fotosíntesis no solo son fotosintatos (mayoritariamente en forma de hidratos de carbono) sino que también se sintetizan compuestos nitrogenados y sulfurados orgánicos (mayoritariamente aminoácidos). H 2 O + NADP+ + ADP + P i → ½ O 2 ↑ + NADPH + H+ + ATP Los pigmentos fotosintéticos se encuentran altamente compactados en la antena para permitir que el estado excitónico alcance el centro de reacción (dada su poca duración) e integrados en una estructura proteica concreta que faculta que dicha excitación se transmita desde la antena al centro de reacción. fotones

→ Antena

→ excitones

→ Centro de reacción

efecto sumatorio Los 2 PS están separados en el espacio. El PS II envía el poder reductor al pool de plastoquinonas. El PS I toma el poder reductor del pool de plastocianina. Composición de las membranas tilacoidales Las membanas tilacoidales externas son mucho más permeables que las internas (mas selectivas). Destacan por su gran fluidez y los cuatro grandes complejos presentes. En las lamelas tilacoidales existen cuatro grandes complejos que facultan el proceso de fotoabsorción: 1. PS I 700+. 2. PS II 680+. 3. Citocromo b6f.

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4. ATPsintasa. Utiliza las diferencias de pH lumen (ácido) – estroma (básico) y la fuerza protón-motriz para sintetizar ATP en el estroma, donde posteriormente tiene lugar el ciclo de Calvin.

La composición de las membranas aporta la fluidez, probablemente relacionada con su capacidad de adaptación, constituyendo armazones lipídicos que dan estructura y dinamismo a los complejos de membrana (que además, también se encuentran protegidos por complejos proteicos). ∞ Galactolípidos (80%) son los lípidos más abundantes, aportan fluidez. ∞ Sulfolípidos. ∞ Fosfolípidos. El más abundante es el ácido linolénico (18C·3=) que también aporta fluidez.

Fotosistema II (P680 + ). Agua-plastoquinona oxidoreductasa Se considera actualmente que está constituido por 17 polipeptidos principales enzimáticamente activos, que constituyen complejos macroproteicos. El PSII oxida el agua y reduce la platoquinona. Es en el PSII donde se produce la transformación de energía fotónica en energía redox, generando una separación de cargas y produciendo la emisión de un electrón (que ha sido acumulado por la excitación de la antena). Este electrón al ir cayendo por la cadena de transportadores permite obtener poder reductor en el estroma (para posteriormente asimilar CO2 , sulfatos, nitratos…) y energía química en forma de ATP. Este proceso está acoplado a la fotólisis del agua, con el consecuente desprendimiento de oxígeno.

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El pigmento funcional que es capaz de emitir el electrón en el PSII es el P680, constituido (como mínimo) por cuatro moléculas de clorofila b, que funcionan como un elemento unitario capaz de emitir un electrón (se trata por tanto de un elemento altamente oxidante). Está constituido por dos dímeros cuyas nubes electrónicas están altamente compactadas entre sí para favorecer la densidad de los excitones (que son poco perdurables). Tras la emisión del electrón, el PSII adquiere carga positiva. Para volver a su estado basal requiere un aporte de electrones procedentes de la fotólisis del agua. La antena del PSII está formada por tres polipéptidos complejos: Lhc B1, Lhc B2 y Lhc B3. Esta estructura es el resultado interactivo de información de origen nuclear y del cloroplasto. Esta estructura es tremendamente dinámica (la conexión antena-centro de reacción está mediada por interacciones que en cualquier momento se pueden romper) e interacciona en un sentido u otro para evitar siempre un estado de fotoxidación. Los Lhc B son un conjunto de clorofilas (B>A) y carotenos.

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Cadena transportadora El electrón una vez emitido por el PSII va a caer cediendo energía de un transportador a otro: 1. Feofitina. Es una clorofila a la cual se le ha desplazado el núcleo de magnesio. Es la primera molécula que capta el electrón emitido. El P680 dona su electrón a la feofitina. Ésta a su vez lo cede a las plastoquinonas (PQA y PQB). La transferencia de 2 e-forma PQB2-, que toma dos H+ del estroma dando plastohidroquinona (PQH2). PQH2 se disocia del PS II y se dirige al complejo del citocromob6f. 2. Quinona. Las quinonas pueden ser fijas o móviles. La quinona que capta el electrón de la feofitina es fija, mientras que el último aceptor es una quinona móvil. Se habla de un pool de quinonas (unas 10) de la membrana tilacoidal. Actúan como acumuladores de poder reductor, regulando el equilibrio entre los dos fotosistemas.

3. Citocromo b6f. Es idéntico al que aparece en la cadena respiratoria. Su función es conectar PSI y PSII. Es responsable de la fotólisis del agua a través de un complejo ciclo que implica conseguir un ión tetraoxidado de magnesio (Mn4+) a partir de sucesivas reacciones redox. A partir de este agente (muy activo) es capaz de romper la molécula de agua, altamente estable. Están implicados aminoácidos y proteínas. Presenta una serie de apantallamientos en los cuales el Cl-, Mg y Ca2+ evitan que el H 2 O pase a H 2 O 2 . Oxida la plastoquinona reducida y reduce a la plastocianina. La plastocianina no se reduce en la membrana tilacoidal porque se encuentra en el lumen – pH ácido, grana del estroma – no está integrado en la membrana pero sí se encuentra en relación con el citocromo, por lo que es capaz de captar el electrón. 4. Plastocianina. Es una oxidoreductasa que se asocia extrínsecamente a la membrana del tilacoide y hace de puente de conexión entre el citocromo b6f del que capta el par electrónico y el PSI, al que se lo dona.

Ciclo Q Por cada dos electrones que son transferidos al P700, 2 plastohidroquinonasson oxidadas, una quinona es reducida y 4 protones son transferidos desde el estroma a el lumen. La plastocianina, pequeña proteína (10,5 kDa) que contiene Cu y situada en el lumen, transfiere los electrones desde el citocromob6f hasta el P700.

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Fotosistema I (P700 + ). Plastocianina-ferredoxina oxidoreductasa Está constituido por 13 polipéptidos y en él tiene lugar la oxidación de la plastocianina y la reducción de la ferredoxina. PS I absorbe preferentemente luz del rojo lejano (mayor que 680 nm) y produce un reductor muy fuerte capaz de reducir al NADP+ y un oxidante débil. El elemento central es un dímero de clorofilas a que se acoplan de forma excitónica, absorbiendo la energía de excitación como un elemento unitario. La diferencia en cuando al PSII es que la separación de cargas y la liberación del electrón tiene lugar en la clorofila P700. Una vez emitido el electrón se queda cargado positivamente (P700+) y para volver a su estado basal requiere la captación de un electrón. La antena correspondiente al PSI está formada por cuatro polipéptidos LHCA 1 , LHCA 2 , LHCA 3 y LHCA 4 esenciales, nuevamente codificados por genes nucleares. Están en forma dimérica (4x2=8) rodeando al PSI. Los principales pigmentos fotosintéticos son la clorofila A, clorofila F (+ carotenos, luteínas, et.). La clorofila A es más abundante que en el PSII, donde la cantidad de clorofila B es mayor (70 PSII > 30 PSI). Se trata de un proceso lineal donde finalmente los electrones generan poder reductor: 1. Clorofila A 0 (clorofila A ligeramente modificada). Cede los electrones a una fitoquinona (A 1 ). 2. A 1 interacciona a continuación con tres grupos sulfoférricos que son 1-F x , 2-F A y 3-F B (cada uno de ellos presenta 4Fe + 3S). A 1 dona sus electrones a A 2 (que es 1-F x ) que a su vez puede donar sus electrones indistintamente a 2-F A o a 3-F B . 3. Los electrones son captados por la ferredoxina (Fd) cuya función es ceder sus electrones a la ferredoxinaNADP+ reductasa, finalizando el flujo electrónico a lo largo del PSI y permitiendo la obtención de poder reductor. Se consigue de este modo el transporte de los electrones desde el tilacoide hasta el estroma, donde posteriomente tiene lugar el ciclo de Calvin. 4. La ATP sintasa es un auténtico biomotor, que impulsado por un gradiente electroquímico genera un gradiente protón-motriz que por cada 3 H+ que bombea (lumen→estroma) permite la síntesis de 1 ATP. El origen de este tipo de fosforilación es mitocondrial, pero no proviene de un proceso de oxidación sino de fotofosforilación. Su estructura está bien definida: 9 genes (6 cloroplásticos + 3 nucleares) que codifican dos dominios clave, F1 (cabeza, hacia el estroma) y F0 (cuello, en la membrana tilacoidal) que hace de conector con el lumen, por donde entran los protones. Transporte cíclico de electrones Algunos complejos citocromo b6f están localizados cerca de los tilacoides del estroma, al igual que PS I. Bajo ciertas condiciones, la ferredoxina cede los e- al complejo citocromo b6f y, vía PQH2y citocromo b6f, vuelven al P700. Así, se produce bombeo de protones al lumen, que pueden ser utilizados para sintetizar ATP, pero sin la producción de oxígeno ni la formación de NADPH.

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Dinámica del aparato fotosintético Los carotenos tienen una doble función, captación de luz y fotoprotección mediante la absorción de energía de clorofilas excitadas. Existe además un movimiento lateral en el PSII que permite regular la energía captada y su transmisión a los centros de reacción. El PSII es más abundante en los tilacoides de la grana (apiladas), mientras que el PSI tiende a ser más abundante en los tilacoides del estroma (no apiladas), lo que se denominan lamelas. La distribución de los fotosistemas en las lamelas es distinta según su estado funcional, existe un proceso absolutamente dinámico. El citocromo se distribuye uniformemente. Cuando se produce un daño fotoquímico, el PSII se desconecta de su antena (LHCII) y pasa a desensamblarse a la lamela estromática, donde una nueva D1 recién sintetizada sustituye a la inactivada. El PSII reparado, todavía no activo, regresa a la lamela de la grana y se reconecta con la LHCII para reiniciar su actividad fotoelectroquímica. 1. En el PSII incide mayor cantidad de energía lumínica que en el PSI (aunque sean menores longitudes de onda). Debido a la gran cantidad de energía libre que existe, se encuentra muy bien regulado. Cuando se produce un daño fotoquímico por un exceso de luz en el PSII, tiende a acumularse plastoquinona reducida, ya que al aumentar mucho su cantidad no da tiempo a que sea asimilada por la plastocianina. Cuando la relación plastoquinona reducida/oxidada es superior a 1, se activa una quinasa que fosforila al pigmento antena (LHC II), lo que implica la rotura de la cohesión entre la antena y el centro de reacción del PSII. 2. Tras el desensamblaje del PSII, LHC II es capaz de cooperar con el PSI hasta que la relación plastoquinona reducida/oxidada sea inferior a 1. En este estado, el PSI está activo al 100% y el PSII se va inactivando de modo decreciente. 3. Una vez se ha conseguido eliminar el exceso de plastoquinona reducida, se produce la desfosforilación del LHC II y se vuelve a la situación de normalidad. β ). La proteína D1 (localizada en el dímero de clorofila del PSII) 4. El LHC II puede ser funcional (α) o no (β cuando llega un exceso de energía, produce que se pierda la estabilidad del fotosistema ya que en ella descansa la conexión entre la antena y el centro de reacción. Para que el fotosistema vuelva a ser activo, se ha de recuperar la proteína D1. Se transfiere el centro de reacción a los tilacoides, donde se localiza el precursor de la proteína, que se reensambla. El PSII regresa a la lamela de la grana, donde se reactiva al volver a unirse con la antena. La proteína D1 es la proteína de mayor número de recambio (turnover) del mundo vegetal. Otros mecanismos de drenaje de energía son el Quenching no-fotoquímico y el ciclo de las xantofilas.

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Balance energético Los mecanismos de fotoabsorción se han de acoplar energéticamente a los mecanismos de fotoasimilación: 6 CO2 + 6 H2O + 6 Rib-1,5-biP + 18 ATP + 12 NADPH → 6 O2↑+ 6 Rib-1,5-biP + 1 GDP + 1 DHA + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP++H+ La rotura de una molécula de agua rinde 2 electrones + 4 H+ y la liberación de oxígeno, lo cual permite obtener ATP y NADPH. Para fijar 6 moléculas de CO 2 y de este modo obtener glucosa en forma de gliceraldehido y dihidroxiacetona, se requiere la energía de 18 ATPs y 12 NADPH (18 ATP/ 12 NADPH = 1’5). Por cada dos electrones que recorren el esquema en Z (fotofosforilación acíclica), se producen 1 NAPDH y 1’33 ATPs (4H+/ 3H+ = 1’33 ATPs). No se alcanza la relación 1’5 necesaria; debe existir un sistema complementario para la síntesis de ATP (fotofosforilación cíclica). La fotofosforilación cíclica es la estrategia en la cual se consigue acoplar la cantidad de ATP que se necesita para fijar el CO 2 . Se produce el retorno de los electrones al citocromo b6f, permitiendo que tenga lugar un salto electroquímico que se invierte en la síntesis de ATP en vez de en la obtención de poder reductor. Si no se mantiene la relación 1’5, se produce un desacoplamiento entre la cantidad de ATP y NADPH y la fijación de CO2 que a la hora de la verdad, es lo que realmente interesa a la planta.

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