Fotosíntesis

Introducción.

La energía de la luz acaba transformándose en la energía de los compuestos orgánicos. Estos serán utilizados como hemos visto en temas anteriores, bien directamente o indirectamente mediante cadenas trópicas.

La energía de la luz es la energía básica. Todos los microorganismos acaban dependiendo de ella.

El la fotosíntesis habrá una serie de procesos redox con transferencia de electrones y una fosforilación acoplada, es decir, reacciones equivalentes a las catabólicas. Además, los cloroplastos son parecidos en cierta medida a las mitocondrias.

Donde D es el dador, que se oxida y A el aceptor, que se reduce.

En la fotosíntesis, considerada globalmente, se va en contra de gradiente, se pasa de una energía más baja a una energía más alta:

En todos los eucariotas fotosintéticos y las cianobacterias el dador de electrones será el agua, que se transforma en O2 y el aceptor será el CO2 que se transformará en un hidrato de carbono.

Los dos oxígenos dependen del agua, el agua rompe la molécula de agua desprendiendo los oxígenos. El oxígeno final de las reacciones se desprende.

En otras bacterias menos evolucionadas el donante no es agua, sino ácido sulfhídrico (SH2). Los foto-organotrofos o fotoheterótrofos tendrían como donador un compuesto orgánico, como el lactato:

2 SH2 + CO2 → [CH2O] + H2O + 2 S

2 Lactato + CO2 → [CH2O] + H2O + 2 Piruvato

La mayor parte de las plantas superiores pueden tener un aceptor variable. Por ejemplo, además de CO2, pueden tener como aceptores nitratos, que se reducen a amoniaco.

Fotosíntesis y cloroplastos.

En los eucariotas la fotosíntesis tiene lugar en los cloroplastos, que en ciertos aspectos son orgánulos parecidos a las mitocondrias.

Estructura de un cloroplasto

En la fotosíntesis podemos diferenciar dos fases, la fase luminosa y la fase oscura. El esquema de la fotosíntesis sería como sigue:

Fases de la fotosíntesis.

Fase luminosa.

¿Cómo se acopla la energía de la luz? La luz se recibe en forma de cuantos de luz, con una longitud de onda de entre 400 y 700nm. Es atrapada por los pigmentos. Sobre todo en las clorofilas, aunque también encontramos otros como los carotenoides, de color rojizo y las xantofilas de color amarillento.

Hay varios tipos de clorofila. Todos los pigmentos tienen una característica en común: enlaces dobles y simples alternados.

Clorofila.

La fórmula de la clorofila es aproximadamente:

Fórmula general de la clorofila

Encontraremos la clorofila en la membrana del tilacoide y la estructura de esta membrana sería como sigue:

Estructura de la clorofila en el tilacoide.

La energía de la luz es recogida por los electrones π, que son los electrones más móviles, cambiando de enlace en el anillo. Son una serie de electrones móviles que no tienen posición fija. Se excitan con facilidad, son capaces de cambiar de órbita con un umbral menor de energía.

Fotosistemas.

Cada pigmento tienen unas longitudes de onda, cada pigmento recoge un tipo de radiación de luz, unas longitudes de onda determinadas. Los pigmentos se encuentran asociados en los fotosistemas, que son de dos tipos y que se denominan fotosistema I (PS I) y fotosistema II (PS II).

El fotosistema I recoge luz con una longitud de onda (λ) menor o igual a 700nm. El fotosistema II recoge luz con longitud de onda (λ) menor o igual a 680nm.

Ambos fotosistemas están en las células eucarióticas vegetales y en cianobacterias. El resto de seres vivos solo tienen el fotosistema I.

La composición exacta del fotosistema cambia de una planta u organismo a otro, pero en general podemos representarlo de la siguiente forma:

Fotosistema.

Cualquiera de las moléculas del fotosistema puede captar la luz.

Cuando incide la luz, un electrón π va a pasar de su orbital normal a un orbital de mayor nivel energético.

Cambio de energía de los electrones del fotosistema

El estado excitado es muy inestable, dura solo milésimas de segundo (del orden de 10-6 segundos).

Si el pigmento estuviese aislado, volvería a su estado básico y se perdería como calor o como una luminiscencia. En el fotosistema otro átomo próximo aprovechará esta energía para excitar otro electrón. Y así sucesivamente.

Transferencia de energía entre electrones.

Se transfiere energía por todo el complejo antena. Así hasta que llega a la molécula que forma el centro de reacción y que es capaz de pasar el electrón a un aceptor. En ese momento se perdería el electrón. Y ahí comenzaría la cadena de transporte, que va a funcionar con energía redox.

El centro de reacción se llama P700 en el fotosistema I y P680 en el fotosistema II.

¿Por qué toda la energía termina en el centro de reacción? El motivo es que el P700 y el P680 son los que tienen el nivel de excitación más bajo, con lo que se forma un efecto embudo. Cada molécula transfiere la energía a una molécula que necesita una energía menor o igual. Y de este modo acaba llegando al centro de reacción.Al perder el electrón, el centro de reacción adquiere carga positiva:

P700/P680 + A → (P700/P680)+ + A-

Como adquiere carga positiva, arrancará los electrones al dador:

(P700/P680)+ + D → P700/P680 + D+

Si sumamos ambas reacciones, el resultado total sería:

Fotosistemas en eucariotas y cianobacterias.

El fotosistema I y el fotosistema II trabajan a la vez. Va a haber un transporte de electrones desde el agua (dador) hasta el NADP+ (aceptor), pasando por el fotosistema I y el fotosistema II.

Esto sucede en los centros de potenciales de reducción.

Resumen de los fotosistemas.

Del P-680 el electrón pasará al aceptor primario, el XII, dentro del fotosistema (posiblemente será más de uno). El primer aceptor fuera del fotosistema es la plastoquinona (PQ), que es un compuesto liposoluble, parecido a la ubiquinona, con la misma manera de oxidarse y reducirse:

PQ + 2e- + 2H+ D PQH2

Como vemos, se necesitan dos electrones. El P-680 queda en forma positiva y le arranca los dos electrones al agua. La transformación no es directa, hay un sistema de transporte compuesta por uno o probablemente varios transportadores. El P-680 se encuentra dentro del fotosistema, mirando a la cavidad del tilacoide, mientras que el agua se encuentra fuera.

La reacción global del fotosistema II es como sigue:

Debemos tener en cuenta que el PQH2 es un reductor débil y el O2 es un oxidante fuerte.

En el fotosistema I, al mismo tiempo, pasará algo parecido. Un fotón excita a los pigmentos, el P-700 pierde los electrones que llegan al aceptor primario, el XI, con un valor de potencia muy negativo (incluso menor de -0,6).

Los dos electrones pasan al Fd (Ferredoxina), una proteína con hierro y azufre. Funciona como el sistema redox (Fe2+/Fe3+). Es hidrosoluble y periférica, mirando hacia el estroma.

Como el P-700 queda con carga positiva, le quita los electrones a un dador que en este caso va a ser la PC (Plastocianina). Se trata de una proteína con cobre (Cu+/Cu2+). Se trata de una proteína hidrosoluble y periférica, que mira a la cavidad del tilacoide.

Por lo tanto, la reacción global en el fotosistema I sería:

El PC es el oxidante débil y el Fd el reductor fuerte.

Ahora se crea un flujo de electrones desde el reductor débil (PQH2) hasta el oxidante débil (PC con Cu2+) a través del complejo b6-F, que tiene cuatro componentes, el citocromo b6, el citocromo F6 y otros dos que tienen cierta similitud con el QH2-citocromo C reductasa. A nivel de esta transferencia de electrones hay una diferencia de Eº que dará teóricamente para generar dos moléculas de ATP. Aunque en realidad esta síntesis no tiene lugar en este punto, la obtención de los dos ATP se consigue gracias a esta energía.

Por otro lado, la Ferredoxina transfiere los electrones al NADP+ por medio de una reductasa (RED) que se denomina ferredoxin NADP+ oxirreductasa. La reacción catabolizada por este enzima sería:

2Fd(Fe2+) + NADP+ H+ " 2Fd(Fe2+) + NADPH

Haciendo un resumen, ocurren dos procesos, la fotolisis del agua y la fosforilación:

Fotólisis del agua

Fosforilación:

En un esquema:

Fosforilación

Flujo de electrones.

Existe la posibilidad de una fosforilación cíclica, gracias a la cual no se va a consumir agua y no se va a desprender oxígeno. Solo se va a sintetizar ATP.

Flujo de electrones.

Este proceso sucede, por ejemplo, cuando no hay NADP. Si no hay NADP se debe a que hay mucho NADPH. Eso se puede deber a que la fase oscura no está teniendo lugar con la rapidez con la que debería. Y esa falta de velocidad ocurrirá cuando no falte ATP. Y con este flujo cíclico resuelve el problema, ya que se sintetiza el ATP que necesitamos. Cuando consigamos suficiente ATP volveremos a tener NADP y el flujo acíclico seguirá su curso.

La cadena de transporte fotosintética.

La cadena de transporte tiene lugar si la membrana del tilacoide es cerrada, de forma que se crea un gradiente. Las proteínas deben tener una colocación para que las reacciones estén bien orientadas.

Cadena de transporte fotosintética.

Como se muestra, va a haber también un flujo protones. Se puede explicar por los mismos mecanismos que en la mitocondria. Pero en este caso, el mecanismo de asas redox proporciona muy buena explicación, funciona adecuadamente.

Las reacciones globales del proceso serían como sigue (teniendo en cuenta cuáles se realizan en el interior o en el exterior del tilacoide):

Como vemos, se nos forma un gradiente electroquímico de protones, ya que se bombean cuatro protones hacia el intratilacoide.

Si vemos un dibujo:

Flujo de protones en el tilacoide

La membrana externa del cloroplasto no deja pasar protones, pero si deja pasar otros iones, como el Cl-, que tienden a equilibrar las cargas. El gradiente de voltaje es my pequeño. Pero la diferencia de pH supone un gradiente grande. El gradiente de pH es importante y aunque también hay un gradiente de Cl-, este no influye.

Es posible que para generar un ATP se requieran tres protones.

Todo parece funcionar igual que en la mitocondria.

Todos los tilacoides suelen estar interconectados unos con otros. Por eso el pH interior de todos ellos será único. De esta forma, las ATP sintetasas podrán estar separadas unas de otras, colocándose en los huecos libres que quedan en los tilacoides.

Veámoslo en un esquema:

La ATPasa también puede funcionar al revés. Si hay mucho ATP, podría bombear protones hacia el interior de tilacoide.

En resumen, las reacciones químicas podrían resumirse de la siguiente forma:

El funcionamiento de los fotosistemas en las bacterias es menos conocido y algo diferente. El donador de electrones nunca puede ser el agua, tiene un potencial más alto.

Flujo de electrones y protones en los fotosistemas

Fase oscura.

Las reacciones químicas que tienen lugar conforman un ciclo denominado Ciclo de Calvin.

Tenemos ATP y NADPH obtenidos durante la fase luminosa. Ahora debe fijarse el CO2 mediante una reacción clave catalizada por el enzima difosforibulosa carboxilasa. Se encuentra en la membrana del tilacoide, periféricamente, sobresaliendo hacia la matriz del cloroplasto. Es uno de los componentes mayoritarios de la membrana. En su formación no solo se usa información del núcleo, algunas subunidades vienen codificadas por el ADN del cloroplasto.

El enzima cataliza la siguiente reacción (es la reacción de fijación del dióxido de carbono a la ribulosa 1, 5 difosfato, que se forma por fosforilación de la ribulos 5 fosfato, con consumo de ATP).

Ciclo de Calvin: primera fase.

Las reacciones continuarían de la siguiente forma:

Ciclo de Calvin: segunda fase.

Como indicamos, a partir del GAP se puede llegar hasta la glucosa, por el camino inverso a la glucólisis, aunque cambian algunos enzimas de reacciones irreversibles.

Existen muchos enzimas que extraen el GAP al citoplasma y allí será transformado en glucosa. No es forzoso que la glucosa se forme en el citoplasma.

A partir de la glucosa, se consigue sacaros, que es su azúcar de transporte y en ocasiones de almacenamiento. Debemos tener en cuenta que, a diferencia de los animales, que en la sangre transportan glucosa, los vegetales transportan sacarosa. Además, la glucosa le sirve para fabricar celulosa, que constituye las paredes celulares y almidón, que es una sustancia de reserva. El almidón, en ocasiones, queda dentro del cloroplasto, apareciendo en forma de granos.

En la fotosíntesis y a partir del 3 fosfoglicerato, se forman también ácidos grasos, aminoácidos y otras sustancias. La glicerina se obtiene a partir del GAP. Con estos dos compuestos ya obtenemos grasas. Por lo tanto, la fotosíntesis es la vía de entrada de todos estos compuestos celulares.

En estas reacciones se aprecia la razón de que se necesite el NADPH y el ATP, son necesarios para que estas reacciones tengan lugar.

Para fijar un CO2 se consumen 3 ATP y 2 NADPH. Pero además consumimos una ribulosa. Si no se regenerase, el proceso no se volvería a producir. Con parte del GAP debemos regenerar la ribulosa. El resto, será la ganancia neta del proceso.

Resumen final de la fase oscura.

Por cada glucosa necesitamos 24 electrones y 48 protones.

Reacción final de la fase fotosíntesis.

En la fase oscura:

En la fase luminosa:

Si sumamos ambas reacciones obtenemos que:

Con un ΔG’º=+686Kcal/mol.

La difosfo-ribonucleosa carboxilasa es estimulada por un pH elevado, una concentración elevada de NADPH, así como los niveles de Mg2+, que aumentan cuando incide la luz debido a la redistribución iónica (al entrar protones, la concentración de Mg2+ aumenta en el estroma).