APUNTES FOTOSINTESIS

DEFINICIÓN
La fotosíntesis toma su nombre de sus raíces griegas foto (luz) y síntesis (unión).
Su definición más sencilla es la formación de oxígeno y glucosa a partir de CO 2 un
donador de hidrógeno y energía luminosa. Esta reacción en eucariontes puede ser
resumida en la siguiente sencilla ecuación:
CO2
+ H2O + Energía luminosa
C6H12O6 +
O2
Cabe mencionar que la definición no refleja el complicado proceso que soporta
toda la vida en la Tierra como la conocemos.
Durante los millones de años de existencia de la Tierra en algún momento de la
evolución celular aparecieron organismos procariontes capaces de utilizar energía
solar captándola con moléculas capaces de utilizar moléculas sencillas como agua
y bióxido de carbono para elaborar compuestos orgánicos más complejos como
los carbohidratos. Esta aparición cambio paulatinamente nuestra atmósfera y las
condiciones de vida de los primeros organismos, haciendo necesaria su
adaptación a la presencia de O2 en ella. Actualmente los organismos que no
tenemos la capacidad de captar la energía solar y producir glucosa somos
heterótrofos pues requerimos de los autótrofos (los que producen su propio
alimento) para vivir. Más aún los humanos necesitamos no solo del alimento sino
de la energía acumulada por estos organismos en combustibles como el petróleo y
la madera para fabricar satisfactores de nuestras necesidades.
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Para la evolución biológica la presencia de estos organismos que sintetizan
alimento es la base de todos los ecosistemas terrestres y marinos y sus
mutaciones o modificaciones tendrán un impacto en la diversidad vegetal y animal
que conocemos hasta ahora y que dejaremos a las futuras generaciones.
Por otro lado, en la actualidad el hombre está en posibilidad de manipular
genéticamente a estos organismos para obtener ventajas en la producción de
alimentos y beneficiarse de ello, pero a su vez esta intervención pudiera tener
consecuencias no solo biológicas, sino políticas, culturales y económicas.
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DATOS HISTÓRICOS
Desde principios del siglo XVIII (1727) se documenta el hecho de que los
vegetales se nutren al menos parcialmente de algo contenido en la atmósfera,
para fines del siglo Joseph Priestley descubre el oxígeno y describe que las
plantas lo producen y los animales lo consumen. Cerca de la mitad del siglo XIX
Henri Dutrochet encuentra que la clorofila es necesaria para la producción de
oxígeno por las plantas y Julius von Sachs prueba que las plantas producen
almidón en un proceso que depende de la luz (fotosíntesis) y que utiliza clorofila.
En 1882 Theodor Englemann, utilizando un aparato modificado por Carl Zeiss para
proyectar un espectro de luz separado por un prisma sobre una placa
microscópica, describió que la luz roja es la más eficiente para que ocurra la
fotosíntesis. En 1883 A. Meyer describe detalles de la estructura del cloroplasto y
A. Schimper describió su replicación y que son similares a algunas bacterias
fotosintéticas.
En los primeros años del siglo XX, Einstein sugirió que la luz y otras radiaciones
del espectro electromagnético viajan en paquetes discretos llamados fotones que
al interactuar con la materia se aniquilan de forma completa, nunca en partes.
Según su teoría fotoeléctrica se necesita un fotón para desprender un electrón.
M.S. Cvet (1906) separo mediante cromatografía los pigmentos de las hojas de las
plantas; en 1913 R. Willsttäter y Stoll aislaron la clorofila que después
caracterizarían. Hevesy en 1923 fué el primer investigador en usar
isotopos
radiactivos como técnica de seguimiento en fisiología vegetal. Un adelanto
importante en el estudio de la fotosíntesis se dio en el año de 1927 cuando
Warburg y Negelein desarrollaron la espectrofotometría y K. Lohmann describe el
ATP.
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En 1935 por primera vez se enuncia un modelo de membrana que incluye no solo
lípidos sino también proteínas (Danielli y Davson) y en 1936 Wood y Werkman
describen dos fases de la fotosíntesis, una requiere luz y otra no, dos años
después Robert Hill aisla cloroplastos y descubre que desprender oxígeno al ser
iluminados siempre y cuando tengan un aceptor de electrones. En 1941, Ruben,
Randall, Kamen y Hyde muestran que el oxígeno desprendido en la fotosíntesis
proviene del agua, hecho muy importante debido a que antes se tenía la idea que
el oxígeno desprendido era lo que quedaba del CO2 al incorporarse el carbono en
la glucosa y en este mismo año F. Lippmann y H. Kalckar definen la función
general en el metabolismo del ATP. Calvin y Benson en 1948 informaron que el
fosfoglicerato es uno de los primeros productos de fijación del CO2, principio de la
descripción completa del destino del carbono que conforma el Ciclo de CalvinBenson que les diera el premio Nobel en 1961.
En 1951, Robert Hill confirmó que la fotoproducción de oxígeno por los
cloroplastos es independiente del uso del CO2 y que el oxígeno se produce por la
presencia de sustancias solubles de la planta o de reactivos que puedan aceptar
hidrógeno, lo que hasta ahora se conoce como la reacción de Hill.
En 1956, R. Emerson y sus colaboradores encontraron que dos haces de luz
provocaban mas producción de oxígeno por fotón que la suma de del producido
por cada haz de forma independiente, a lo que se le llamo Efecto Emerson.
Kortschak et al., además de Hatch y Slack (1965/66) describieron un mecanismo
sumamente eficiente usado por las plantas tropicales para unir CO2 (Plantas C4).
En 1970, L. Margulis presenta su teoría de la endosimbiosis donde propone que
los cloroplastos son descendientes de bacterias fotosintéticas que vivían dentro de
otras células y en 1971 Vernon resume el concepto de que los pigmentos se
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ensamblan en las membranas de los tilacoides de los cloroplastos formando un
centro de reacción de moléculas de clorofila y pigmentos accesorios. En 1972, con
la ayuda de la novedosa técnica de congelación-fractura para microscopía
electrónica de barrido, Singer y Nicholson presentan el modelo del mosaico fluído
para las membranas celulares en donde se propone más claramente la interacción
de lípidos y proteínas en distintas zonas.
En 1988 se presentó un fuerte avance en el estudio de la fotosíntesis, la
cristalización del centro de reacción de una bacteria fotosintética y su resolución
por cristalografía de Rayos X, trabajo por el cual Deisenhofer, Huber y Michel
recibieron el premio Nobel.
En la actualidad, además de cada vez mejores descripciones por cristalografía de
rayos X de las diferentes moléculas involucradas, se ha dado una sucesión de
investigaciones basadas en mutaciones de genes que codifican diferentes
proteínas para analizar su participación en el proceso fotosintético; asimismo la
utilización de técnicas de transferencia genética para fortalecer el rendimiento en
la producción de carbohidratos.
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ASPECTOS INTRODUCTORIOS
Es importante introducir algunos conceptos que nos ayudarán a comprender mejor
el proceso de la fotosíntesis y sus formas de evaluación o demostración
experimental.
Radiación electromagnética. La radiación electromagnética es una forma de
energía radiante que es de naturaleza dual pues presenta propiedades tanto de
onda como de partícula. Entre sus propiedades de onda posee una componente
eléctrica y una componente magnética, que son perpendiculares, pero sólo la
componente eléctrica interacciona comúnmente con la materia. Uno de sus
parámetros es la frecuencia que se define como el número de ondas que pasan
por un punto fijo en la unidad de tiempo, se puede expresar la frecuencia de otra
forma como número de unidades de longitud de onda en 1 cm y se llama número
de onda. Entre sus propiedades de partícula encontramos que las ondas viajan en
paquetes discretos llamados fotones y que cuando interactúa con la materia lo
hace mediante la aniquilación de fotones completos.
La radiación electromagnética puede considerarse como constituida por ondas de
energía. En cada una de estas ondas, la distancia entre dos crestas (o valles)
consecutivas es la longitud de onda. La radiación sólo se absorbe o emite en
unidades definidas llamadas fotones. La energía de los fotones es proporcional a
la frecuencia de la radiación.
La intensidad de un haz de radiación está caracterizada por su poder de radiación,
que es proporcional al número de fotones por segundo que se propagan en el haz
que transporte radiación de una sola longitud de onda o sea monocromático; un
haz policromático contiene radiación de diversas longitudes de onda.
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La gama completa de radiaciones del espectro electromagnético comprende
diferentes longitudes de onda que de acuerdo a su tamaño poseen más o menos
energía (Fig. 1). Las longitudes de onda correspondientes al espectro de luz
visible (luz solar) es entre 400 y 700 nm aproximadamente, por debajo de 400 nm
se encuentra la radiación ultravioleta y por encima de 700 nm la radiación
infrarrojo.
Fig. 1. Radiaciones electromagnéticas. Es importante apreciar que entre mayor sea la longitud de
onda, menor es la frecuencia y la energía.
Cuando una molécula, por ejemplo un pigmento fotosintético, absorbe un fotón de
luz está absorbiendo un cuanto de energía y pueden suceder varias cosas:
–
que la molécula la absorba y posteriormente la reemita como un
fotón de longitud de onda mayor, al regresar a su estado
fundamental,
7
–
que produzca cambios y transiciones electrónicos, vibracionales y
rotacionales, manifestados como calor o cambios en la molécula
como puede ser la emisión de un electrón.
–
que se disperse
–
que se refleje
Uniones entre moléculas. Brevemente mencionaremos que pueden ser fuertes o
débiles. Las uniones fuertes en este espacio se consideraran como sinónimo de
enlaces covalentes. Un enlace covalente es una unión en que dos moléculas se
unen compartiendo uno o más pares de electrones para estabilizarse y la energía
requerida esta aproximadamente entre 30 y 110 KCal/Mol.
Entre las uniones débiles encontramos aquellas que requieren muy pocas
kilocalorías por lo que se rompen relativamente fácil, proceso muy importante en
los sistemas biológicos pues permiten cambios conformacionales rápidos que
favorecen diferentes funciones de los organismos, ejemplos de ellas son los
enlaces iónicos, los puentes de hidrógeno, las uniones hidrofóbicas y las uniones
de corto alcance como lo son las fuerzas de Van der Walls.
Reacciones oxido-reducción. Una oxidación es la remoción de uno o más
electrones de un átomo o de una molécula y una reducción es el proceso
contrario, la adición de electrones. La oxidación requiere un aceptor y la reducción
un donador de electrones y debido a que estas especies no se encuentran libres,
siempre que haya una oxidación habrá una reducción asociada, a lo que se le
llama reacción de óxido reducción o redox y las sustancias o átomos involucrados
se llaman par redox. En los sistemas biológicos existen muchos ejemplos de este
tipo de reacciones, muchas oxidaciones se llevan a cabo sustrayendo el mismo
número de protones que de electrones, forma en la cual la carga neta no varía al
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oxidarse, a este tipo de oxidaciones se les llama deshidrogenaciones y al proceso
de reducción hidrogenación. Es importante mencionar que existen un pequeño
grupo de moléculas llamadas transportadores biológicos que pueden ser oxidados
en un lugar y reducidos en otro, siendo capaces de transportar electrones de un
lado a otro a través del citoplasma, un ejemplo es el NADP+.
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ESTRUCTURAS CELULARES Y MOLECULARES PARTICIPANTES
Plantas superiores. Aunque la fotosíntesis se lleva a cabo no solo en plantas
superiores sino también en algas eucariontes unicelulares y procariontes como
bacterias y algas verde-azules, es importante mencionar la compleja estructura de
las hojas de las plantas. De manera sencilla las hojas de las plantas han
evolucionado de acuerdo al medio ambiente en el que viven, siendo triunfadoras
en la selección natural aquellas con características que les permitan un
funcionamiento idóneo. Las hojas e la mayoría de las plantas son de apenas unas
cuantas células de espesor lo que permite que se expongan en una mayor
extensión a la energía radiante del sol. En la superficie superior e inferior tienen
una delgada capa de células que forman la epidermis y ambas capas están
recubiertas por una cutícula que es una protección más fuerte de contiene
ceramidas que les da cierta impermeabilidad y resistencia a la pérdida de la
humedad. En la epidermis existen unos poros de apertura regulable llamados
estomas que permiten la entrada de CO2, en el tiempo necesario y que
convenientemente poseen cloroplastos. Dentro de la hoja existe una capa
intermedia de células llamada mesófilo, las cuales contienen la casi totalidad de
los cloroplastos por lo que la fotosíntesis se realiza en este lugar. Además, las
hojas contienen una vascularización que suministra agua y sales minerales y
transportan los carbohidratos a otras partes de las células. En las plantas que
efectúan una vía alterna para la fotosíntesis, llamadas C4, existen unas células
llamadas del parénquima vascular que poseen un tipo diferente de cloroplastos
llamados dimórficos.
Cloroplastos. Las plantas superiores contienen una gran variedad de plástidos en
donde se realizan funciones muy importantes, estos organelos derivan de un
ancestro común, aunque después de su desarrollo presentan una variedad de
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tamaños, formas y funciones; este desarrollo está dirigido por genes de las células
que los contienen.
De inicio fueron clasificados solo por su color en cloroplastos (verdes),
cromoplastos (amarillos o rojos) y leucoplastos (blancos); en la actualidad se
reconocen los cloroplastos (con gran proporción de clorofila), amiloplastos
(reserva
e
almidón),
proteinoplastos
cromoplastos
(proteínas),
(carotenos),
proplástidos
(pequeños
oleinoplastos
y
no
(aceites),
diferenciados,
fundamentalmente en raíces) y etioplastos (plastos de las plantas que crecen en la
oscuridad). Todos ellos poseen un genoma propio capaz de codificar un pequeño
número de genes, por lo que muchas de sus proteínas son codificadas por el
núcleo de la célula y las proteínas son importadas al plástido. Es importante
recordar que la presencia de material genético y de una doble membrana son las
bases de la teoría endosimbiótica que postula que estos plástidos y las
mitocondrias entraron como organismos simbioticos en otra célula, los organismo
procariontes más parecidos en la actualidad a los plástidos serían las algas verdeazules o cianobacterias.
En plantas superiores, los cloroplastos son cuerpos discoidales o elipsoidales que
miden entre 2 y 10µm de diámetro y 1µm de grosor. En algas pueden ser más
grandes y de forma más complicada. En plantas superiores puede haber docenas
de cloroplastos en el citoplasma de cada célula verde, mientras que en
organismos eucariontes unicelulares solo puede haber uno o dos.
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Se han distinguido dos tipos de cloroplastos: el lamelar, característico de algas, y
el formado por grana, característico de plantas superiores; esta rodeado por dos
membranas, cada una de aproximadamente 5 nm de grosor con un espacio de
aproximadamente 10 nm entre ellas.
Aparentemente cada una presenta la
estructura de una unidad de membrana, es decir, una bicapa de fosfolípidos entre
dos de proteína. Las membranas tienen permeabilidad diferencial, lo cual favorece
que entre materia prima para la fotosíntesis y después salgan los productos de
ésta.
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Dentro del cloroplasto hay un material semifluido incoloro que contiene proteínas
DNA, RNA y ribosomas que participan en la síntesis de varias proteínas del
cloroplasto; muy similar a la matriz mitocondrial llamado estroma. Aquí es donde
se localiza la mayoría de las enzimas requeridas en las reacciones de la fase
oscura.
La membrana interna se invagina formando dobleces apareados llamados
lamelas. A ciertos intervalos las lamelas se ensanchan y forman bolsas o sacos
planos llamados tilacoides, y éstos se acomodan uno sobre otro para formar los
grana.
Según el modelo de Hodge, la clorofila se encuentra dentro de los tilacoides entre
capas de moléculas de proteína y fosfolípidos. Se cree que los transportadores
de electrones y enzimas fosforiladoras de los fotosistemas I y II están en la
membrana de los tilacoides.
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Pigmentos fotosínteticos. La clorofila es el pigmento responsable del color verde
de las plantas. Sin embargo, una planta no verde no siempre carece de clorofila; a
menudo ésta se encuentra enmascarada por los pigmentos accesorios no verdes.
Todas las células fotosintéticas que producen oxigeno contienen 2 tipos de
clorofila, una de las cuales siempre es la a. La otra puede ser clorofila b (plantas
verdes), clorofila c (algas pardas, diatomeas, dinoflagelados), o clorofila d (algas
rojas).
Los organismos fotosintéticos que no producen oxigeno –bacterias
fotosintéticas- nunca tienen clorofila a; contienen tipos sencillos de clorofila, que
pueden ser bacterioclorofila o clorobium-clorofila o ambos tipos.
Cualquier forma de clorofila contiene la estructura porfirina consistente en 4 anillos
pirrólicos unidos por sus átomos de nitrógeno a un átomo de magnesio. Cada
clorofila tiene un quinto anillo con solo átomos de carbono. Exceptuando a la
clorofila c, todas las clorofilas tienen una larga cadena fitol. La diferencia entre
clorofilas es la estructura de las cadena laterales ligadas a los anillos pirrólicos.
Por ejemplo, la clorofila a tiene un grupo metilo en el anillo 3, mientras que la
clorofila b tiene un grupo aldehído en ese lugar.
Un análisis de la estructura de la clorofila y de su disposición en el cloroplasto
muestra que están muy relacionadas con la función que desempeña. Por una
parte, la molécula necesita poseer electrones que se exciten fácilmente, pero a la
vez que no la inestabilicen lo suficiente como para buscar combinarse
rápidamente con alguna sustancia inadecuada.
La estructura de los anillos
pirrólicos, con sus enlaces conjugados, tiene precisamente estas propiedades.
Cualquier sistema conjugado posee electrones particularmente móviles que se
excitan con poca cantidad de energía, como la que conforma la luz visible.
Asimismo, la clorofila es muy estable, aunque fácilmente excitable, porque en su
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estructura de anillos cerrados en círculo los electrones exteriores no pertenecen a
un átomo o enlace individual, sino al complejo alrededor del cual oscilan.
Cuando la clorofila recibe la estimulación por los fotones, desprende electrones
que reducen el NADP+ por lo sería de esperarse que la eficiencia de la fotosíntesis
acompañara los cambios realizados por la diferente absorción de la clorofila en
distintas longitudes de onda; sin embargo, esto no sucede debido a que existen
otros pigmentos capaces de absorber energía radiante en otros rangos de longitud
de onda lo que hace a la fotosíntesis un proceso muy eficiente absorbiendo
energía prácticamente en cualquier rango del espectro visible.
Aunque la energía es asimilada en un amplio espectro, parte de ella se pierde al
transferirla de una molécula a otra hasta llegar al pigmento que absorbe a la
mayor longitud de onda en el visible o sea, la de menor energía. Por lo anterior, es
importante realizar la transferencia de energía de una molécula de clorofila a otras
y de los pigmentos accesorios a la clorofila a con eficiencia. Esto se logra gracias
a la disposición molecular de la clorofila en los cloroplastos. Puesto que la cadena
fitol es soluble en lípidos y el resto es soluble en proteína, se crea un acomodo
muy compacto de las moléculas, lo que les da cercanía física. Cuando una de las
moléculas es excitada, rápidamente pasa su energía a la molécula vecina por
resonancia.
Consecuentemente, debe existir algún sitio que acumule o guarde la energía de
excitación para que no circule demasiado tiempo y se pierda como calor; esta
trampa de energía debe absorber luz de la menor energía posible, esto es 700 nm
en el espectro visible, lo que hace eficientemente la clorofila a, con distintas
subfracciones que absorben desde 660 hasta cerca de 700, formando una unidad
cooperativa, parte de un sistema de pigmentos o fotosistema llamado P700. P700
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absorbe a mayor longitud de onda, y por tanto menor energía, que las moléculas
que lo rodean. Entonces ellas le pueden pasar energía a P700 pero no viceversa,
por lo que hay un flujo unidireccional.
Por último, el mecanismo de asimilación de energía mencionado no es suficiente
para explicar el hecho de que luz monocromática de 700 es ineficiente para
producir la fotosíntesis en cloroplastos y que la adición de un segundo haz de luz
de longitud de onda menor (650) aumenta de forma sinérgica la eficiencia global.
Este efecto de luz doble conocido como efecto Emerson llevo a postular la idea de
que al menos existen dos trampas diferentes, a esta segunda se le conoce como
P690. Resumiendo, los pigmentos en los cloroplastos parecen estar agrupados en
dos partes o sistemas de pigmentos llamados sistema de pigmentos I o
fotosistema I (PSI) y sistema de pigmentos II o fotosistema II (PSII). El mismo
grupo del Dr. Emerson describió que ambos sistemas están acoplados
químicamente, más que a través de la sola transferencia de energía, este
acoplamiento comprende varias reacciones de oxidación-reducción similares a la
cadena de transporte de electrones en mitocondrias. Al parecer los electrones que
se sustraen del agua se transfieren a la cadena de transporte de electrones
mediante PSII y de la cadena al NADP+ por el PSI.
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REACCIONES DE FASE LUMINOSA
Consiste en la captura de fotones, cuya energía es utilizada finalmente para la
producción por una parte de una molécula transportadora llamada, nicotinamidaadenin-dinucleótido fosfato reducida (NADPred) y por otra de energía química
almacenada, adenosin-trifosfato (ATP). El reductor se produce cuando la clorofila
atrapa fotones, los cuales excitan las moléculas de NADP de esta manera
provocan el ascenso de electrones a un nivel de energía superior. Los electrones
no regresan a la molécula de clorofila porque reducen moléculas de NADP+ a
NADPH.
Por otra parte, la energía química almacenada se produce cuando la clorofila
atrapa fotones que excitan las moléculas de NADP, con lo que provocan el
ascenso de electrones a un nivel de energía superior, del que si regresan,
mediante la liberación gradual del exceso de energía. Dicha energía se utiliza para
acoplar fosfato inorgánico (Pi) con adenosin bifosfato (ADP) para producir ATP.
La molécula que recibe definitivamente al electrón excitado de la clorofila a y que
por tanto queda reducida por el, es el NADPox. La clorofila no reduce al NADPox
cuando su potencial es positivo, sino cuando, gracias a la absorción de la energía
de un fotón, ha adquirido un potencial mas bajo que el del NADPox. La energía
luminosa (fotones) captada por la clorofila “se utiliza” para disminuir el potencial
redox de la clorofila, de tal manera que ésta pueda ser un agente reductor del
NADPox.
Un fotón incide sobre un conjunto de moléculas del pigmento clorofila a
transmitiéndole su energía, actuando como catalizador fotoquímico. Se cree que
entre dichas moléculas hay una especializada en recibir y ceder electrones
excitados, llamada P700 que es parte del PSI. P700 cede su electrón excitado y
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queda con una deficiencia electrónica. El electrón es recibido por una proteína
transportadora de electrones que contiene azufre y hierro llamada ferredoxina. A
su vez la ferredoxina cede el electrón a la ferredoxina- NADPox. El proceso
continua con acumulación de NADPred hasta que se agota el NADPox. Dado que
los electrones no regresan a la clorofila a, a este proceso se le ha llamado flujo de
electrones no cíclico.
El mecanismo mediante el cual se regeneran las moléculas de clorofila a es igual
a aquel mediante el que se produce el NADPred: la excitación de moléculas
pigmentarias cuyos electrones pasan por varios compuestos hasta llegar a un
aceptor final. El recorrido del electrón que regenera a la clorofila a es el siguiente:
un fotón incide sobre un conjunto de moléculas del pigmento clorofila b y le
trasmite su energía. Una molécula cede su electrón excitado a un aceptor aun no
identificado Q, que queda de esta manera con una deficiencia electrónica. Q
transfiere el electrón a una sustancia llamada plastoquinona. De la plastoquinona
el electrón pasa al citocromo b599, compuesto que tiene fierro. De este citocromo
el electrón pasa al citocromo f o c555 y de éste a la plastocianina, una proteína que
tiene cobre. Es la plastocianina la que cede el electrón a la molécula P 700 de
clorofila a.
La clorofila b, al igual que la a, simplemente cede electrones temporalmente, y por
tanto es un catalizador. Los electrones que corrigen las deficiencias electrónicas
de la clorofila b provienen del agua y éste es el verdadero agente reductor del
NADPox, pues se acumula en forma oxidada como O2
El flujo no cíclico de electrones es una reacción de óxido-reducción en la que el
agua es el agente reductor y el NADPox es el agente oxidante; se acumulan el O2
como compuesto oxidado y el NADPred como compuesto reducido. Pero dado
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que es una oxido-reducción que ocurre en el sentido contrario al espontáneo
requiere de una entrada de energía. Es la energía solar la que invierte el sentido
natural de la reacción. La ecuación es:
nhv + 2 Pi + 2ADP + H2O + NADP
NADPH + ½ O2 + 2ATP + 2H2
el flujo de electrones no cíclico es la combinación de dos métodos opuestos pero
complementarios, para relacionar compuestos de diferente potencial redox: un
método “brusco”, la excitación de electrones por absorción de energía luminosa, y
un método gradual, la liberación de pequeñas cantidades de energía por la oxidoreducción de una serie de compuestos de potencial muy cercano entre si. Podría
considerarse una falta de precisión del sistema que la excitación llevara al electrón
a un potencial redox menor que el necesario para reducir al NADPox o a la
clorofila a y después liberar el excedo de energía hasta llegar a un potencia
adecuado.
Sin embargo, el exceso de energía no se desperdicia, pues en sitios
determinados se usa para acoplar ADP con Pi dando ATP, una forma más de
energía química potencial, en otras palabras, hay una fosforilación no cíclica. Cuya
principal función es la de producir un compuesto rico en energía y fuertemente
donador de hidrogeno, como es el NADPred. Sin embargo, si hay un proceso
dentro de las reacciones luminosas cuya única función es la producción de un
compuesto que no es reductor pero si rico en energía, el ATP.
Al iluminar cloroplastos aislados se ha observado que en ausencia total de
donadores o aceptores de electrones se forma ATP a partir de ADP y Pi, sin
acumulación de un compuesto reducido.
También se ha observado que la
formación de ATP depende directamente de la intensidad y duración de la
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iluminación; entre más tiempo se iluminen los cloroplastos y mayor sea la
intensidad, mas ATP se forma. Dado que no se detecta un producto reducido, se
supone que no hay una transferencia neta de electrones.
Sin embargo, la
acumulación de un compuesto con un enlace de alta energía donde no lo había
indica que aun cuando los electrones no están produciendo una reducción neta, si
están fluyendo. Se supone que lo que sucede es que hay oxidación y reducción
del mismo compuesto, a saber, la clorofila P700.
Puesto que la única fuente
posible de energía para unir Pi y ADP es la energía radiante dada a los
cloroplastos, se supone que dicha energía genera electrones con un alto nivel
energético. Esos electrones regresan a la clorofila a partir de la ferredoxina – vía
citocromo b6 -
en vez de continuar hacia el NADP a llenar las deficiencias
electrónicas que ellos mismos dejaron. Si están presentes el ADP y el Pi, ocurre
formación de ATP, es decir, una fosforilacion; si no están presentes el ADP y el Pi,
la energía se pierde como fluorescencia y calor. La ecuación general del flujo
cíclico de electrones es:
nhv + Pi + ADP
ATP + H20
Las reacciones luminosas las llevan a cabo ambos fotosistemas conectados en
serie.
Los dos sistemas y el complejo citocromo están incluidos en la membrana
tilacoide. Los electrones captados del agua en el fotosistema II se transfieren al
fotosistema I a través de las quinonas (Q), el complejo citocromo b 6f y la
plastocianina (PC). En el fotosistema I, los electrones se excitan de nuevo por la
luz, para su transferencia a través de una serie de intermediarios a la ferredoxina.
La ferredoxina reducida reduce el NADP+.
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En cada uno de los dos centros de reacción, P680 y P700, los electrones suben a un
estado excitado mediante la absorción de fotones.
En cada fotosistema, los
electrones excitados pasan por una cadena de transporte electrónico, que impulsa
el bombeo de iones hidrogeno al interior de la luz del tilacoide.
El modo de
conección de los dos fotosistemas se denomina a veces esquema Z, debido al
patrón de cambios energéticos que se ha descrito.
Imagen simplificada de la fotosíntesis.
Principales proteínas de la membrana tilacoides qur
soportan el flujo lineal de electrones. (a) Organización transmembranal de las proteínas de los
principales complejos fotosintéticos en su estado de oligomerización nativo, resuelto por
cristalografía de rayos X (Daniel Picot). (b) Representación esquemática de la vía del flujo lineal de
electrones y de la translocación de protones a través de grandes complejos de proteínas cuya
estructura atómica se muestra en parte a. Los electrones son extraídos del agua en el lado lumenal
de las membranas y trasladado a NADP en el lado del estroma. La transferencia de electrones es
impulsada por el centro de reacción de dos distintos fotosistemas -PSII y PSI- que constituyen el
centro de separación de cargas inducida por la luz, entre la clorofila fotosensible y una
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molécula receptora. El intersistema de acarreadores electrónicos consiste en un conjunto de
moléculas de plastoquinona disueltas dentro de la bicapa lipídica, un complejo de proteínas
transmembranal -complejo de citocromos b6f- que comprende un grupo de Fe-S y cuatro grupos
hemo, una pequeña proteína que contiene llamada plastocianina, que esta disuelta en el lumen de
los tilacoides y que es sustituida por un citocromo soluble, C6, en algunos organismos
fotosintéticos. Los protones translocados a través de la membrana durante el flujo lineal de
electrones son utilizados por la ATP sintasa transmembranal para impulsar la síntesis de ATP.
Tomada de Eberhard, Finazzi, y Wollman.
Es importante mencionar que los electrones captados por el agua mencionados
antes, son solo un caso especial del esquema general de la fotosíntesis, en 1937,
Robert Hill descubrió que al iluminar cloroplastos que carecen de CO2 en
presencia de un aceptor de electrones artificial, el ferricianuro [Fe(CN)
63-],
se
produce O2 con la reducción concomitante del aceptor. Demuestra que el CO 2 no
participa directamente en la reacción de producción de O2.
En 1941, cuando se pudo disponer del isótopo
18O,
Samuel Ruben y Martin
Kamen demostraron que la fuente del O2 que se forma en la fotosíntesis es el
H2O:
H218O + CO2
(CH2O) +
18O2
En el caso de las bacterias sulfurosas purpúreas se utiliza sulfuro de hidrogeno
con la siguiente ecuación:
H2S + CO2
S + 2H2 + 2e-
Resumiendo la contribución de Hill a la ecuación general de la fotosíntesis es el
esclarecimiento del origen del O2 enunciando la ecuación general:
CO2 + H2A
C6H12O6 + 2A + H2O
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REACCIONES DE FASE OSCURA
Las síntesis del proceso fotosintético se llevan a cabo independientemente de la
presencia o ausencia de luz. Mediante estas reacciones lo que ocurre son dos
eventos: la fijación del CO2 y el ciclo de reducción del carbono.
La fijación del CO2 implica que su carbono se integra a otras moléculas con
carbono para la construcción de cadenas más largas.
H2O + CO2 + Ribulosa-1,5-difosfato
2 ácido 3-difosfoglicérico
Ya que se ha fijado el CO2, relacionaremos los productos de la fase luminosa con
las reacciones de la fase oscura integrando cada reacción hacia la síntesis de
carbohidratos:
Acido 3-fosfoglicérico + ATP
Acido difosfoglicerico + NADPH
acido difosfoglicérico + ADP + Pi
fosfogliceraldehído + NADP
El fosfogliceraldehído (PGA) es un compuesto importante porque puede seguir en
el ciclo de reducción del carbono o puede salir y seguir reduciéndose hasta
producir carbohidratos sencillos o complejos, etc. Uno de los caminos que puede
seguir es el siguiente:
2 PGA
hexosa fosfatada (un carbohidrato) + Pi
24
Otro papel muy importante del PGA es la reintegración de la ribulosa-1,5-difosfato
y de esta manera evitar que se detenga la fijación de carbono por falta de un
aceptor inicial.
La manera en que esto se lleva a cabo es cíclica, pues las
moléculas de PGA (C3, de tres carbonos) producen moléculas de ribosa-5-fosfato
(de cinco carbonos), que con ATP se transforman en ribulosa-1,5-difosfato (cinco
carbonos) la cual tras fijar CO2 vuelve a producir dos moléculas de PGA para
volver a comenzar el ciclo.
Podemos caracterizar a las reacciones de la fase oscura como un proceso de
oxido-reducción en la que el NADPH es el agente reductor y el CO 2 el agente
oxidante; se acumula NADP como compuesto oxidado y un carbohidrato como
compuesto reducido.
Esta reacción, al igual que las de los flujos cíclicos y no
cíclico de electrones, ocurre en contra del sentido espontáneo, por lo que también
requiere una entrada de energía. Pero en este caso no es la energía de un fotón
la que invierte el sentido de la reacción, sino el ATP producido durante las
reacciones luminosas.
En el ciclo descrito por Calvin-Benson entran 3 moléculas de ribulosa-1,5difosfato, las cuales aceptan una molécula de CO2 cada una, o sea, 3 en total. Al
reaccionar la ribulosa-1,5-difosfato y el CO2 se forman 3 moléculas de un
compuesto de 6 carbonos, de estructura desconocida.
Dicho compuesto,
rápidamente se rompe en dos moléculas iguales de ácido 3-fosfoglicérico. Las 6
moléculas de acido 3-fosfoglicérico son reducidas por el NADPH y el ATP de las
reacciones
luminosas,
lo
que
da
como
resultado
6
moléculas
de
fosfogliceraldehído. Cinco de ellas vuelven a entrar al ciclo para regenerar la
25
ribulosa-1,5-difosfato y la sexta representa la ganancia del ciclo, que puede
oxidarse en las mitocondrias o seguir reduciéndose. La fórmula general es:
6-ribulosa-1,5-difosfato + 6CO2 + 18ATP + 12NADPH
6-ribulosa-1,5-difosfato + hexosa + 16Pi + 18ADP + 12NADP+
La ribulosa-1,5-difosfato aparece a ambos lados de la ecuación solo para mostrar
que es un componente necesario que se regenera al final del ciclo.
Alrededor de 1960, se describió un proceso llamado fotorrespiración que sucede
en plantas que se encuentran sumamente iluminadas que en lugar de producir
oxígeno, lo utilizan; de hecho, cuando el CO2 esta escaso y el O2 abunda el
proceso de fororrespiración puede superar al de la fijación de CO2 en la
fotosíntesis. La explicación resulto algo paradójico, la enzima que fija el CO2 en la
ribulosa-1,5-difosfato no tiene una afinidad específica por el CO2, puede también
captar O2 cuando éste se encuentra en abundancia, de hecho la enzima
encargada que en un inicio se creyó que solo era carboxilasa ahora se renombro y
se conoce como ribulosa-1,5 difosfato carboxilasa-oxigenasa o Rubisco.
En su acción como oxigenasa, la Rubisco cataliza la formación de 3- fosfoglicerato
y 2-fosfoglicolato, éste último es hidrolizado a glicolato, por la glicolato fosfatasa,
que es oxidado parcialmente formando CO2 a través de reacciones realizadas en
peroxisomas especializados en las plantas llamados glioxisomas. Aunque la
fotorrespiración aparentemente es un proceso que desperdicia el realizado por la
fotosíntesis, parece ser que apareció cuando en la atmósfera primitiva había muy
poco oxígeno y no causaba problema alguno; sin embargo, en la actualidad
26
pudiera haber sobrevivido el proceso evolutivo al ser un mecanismo de protección
del aparato fotosintético contra la foto-oxidación cuando no exista suficiente CO2
para disipar la energía absorbida.
Precisamente, en 1966 Hatch y Slack describieron otra vía para la fijación del
carbono que utilizan plantas de climas calurosos y secos que evitan la
fotorrespiración. Estas plantas poseen una anatomía característica en la cual sus
finas venas están rodeadas por una capa muy fina de células de la vaina del haz
que a su vez están rodeadas por células del mesófilo. Estas plantas poseen otro
tipo de cloroplastos llamados dimórficos. En esta vía, el CO2 es captado por las
células del mesófilo que no contienen cloroplastos, por lo que éste se condensa
con el fosfoenolpiruvato (PEP) para formar oxaloacetato (OA) que es un
compuesto de cuatro carbonos por lo que esta vía también se conoce como C4. El
OA es reducido por el NADPH
y convertido a malato que es transportado a
cloroplastos comunes para por una descarboxilación convertirse en piruvato y
liberar CO2 que entra al ciclo de Calvin o C3 y el piruvato regresa a las células del
mesófilo para ser fosforilado y de nuevo formar PEP. El resultado de este proceso
es la concentración de CO2 en las células de la vaina del haz a expensas de ATP,
que aunque parezca más ineficiente que el proceso normal o C3, en realidad es
una estrategia muy eficiente para adaptarse a las condiciones climáticas en las
cuales abrir los estomas durante el día para captar CO2 podría ser fatal por la
deshidratación causada por la temperatura.
27
Figura de flujo de carbono. Un aspecto general del flujo de carbono y equivalentes de reducción los
cloroplastos de la vaina, que ilustra las conexiones entre NDH dependientes e independientes
del flujo de electrones cíclico, oxidasa alternativa (PTox), CCMs postuladas como NDH- dependientes y el
flujo primario de carbono. Las proteínas mostradas en rojo están enriquecidos los cloroplastos de la vaina. El
transporte malato-piruvato importa malato a los cloroplastos de las células de la vaina, donde se descarboxila
por ME, liberando CO2 y reduciendo de NADP+ en NADPH. En condiciones favorables, el CO2 es utilizado
por la Rubisco en el ciclo de Calvin. El NADPH se utiliza en el ciclo de Calvin y también puede usarse para
conducir un flujo cíclico de electrones, el cual se asimila al complejo de NDH o a las proteínas PGR5 y
PGRL1 del PSI. El flujo cíclico de electrones ayuda a construir el gradiente de protones a través de la
membrana del tilacoides y sirve para producir ATP por la ATP sintasa tipo f. Para la fotosíntesis C4 el CO2 se
concentra alrededor de la Rubisco de los cloroplastos de la vaina, por lo que el ciclo C4 es más rápido que el
ciclo C3. La mayor resistencia a la fuga de los cloroplastos aumentará la concentración de carbono inorgánico
en
torno
a
la
Rubisco.
Para
reducir
las
fugas,
el
CO2
se
puede
convertir
en
bicarbonato (HCO3+) lo que es una reacción lenta y espontánea (debido a que la anhidrasa carbónica está
ausente en los cloroplastos de la vaina), además está conversión podría verse favorecida por un complejo
NDH en forma de U que funciona en forma similar a los complejos de cianobacterias. Las proteínas asociadas
a NDH en la cadena de aceptores de electrones (marcadas en líneas punteadas) son desconocidas en los
28
cloroplastos de maíz y otras especies como A. thaliana. La oxidasa alternativa de los tilacoides
(PTox) puede servir para reducir el oxígeno molecular directamente y así evitar el exceso de reducción de la
cadena de transporte de electrones. Cuatro proteínas del lumen se asocian con el complejo NDH. PGR5 y
PGRL1
proporcionan
una
vía
cíclica
de
flujo
de
electrones
NDH
independiente.
Abreviaturas: FNR, ferredoxina reductasa, PC, plastocianina, PQ (H2), plastoquinona o plastoquinol. Tomada
de Majeran y van Wijk.
Micrografías electrónicas de células del mesófilo de hojas de plantas de maiz. BS: célula de la vaina, M: célula
del mesófilo, Cp: cloroplasto. La escala representa 10 mm (a) y 1 mm (b). Imágenes de Turgeon, Medville y
Jung. Tomadas de Majeran y van Wijk.
29
Figura comparativa C3 y C4. La distribución de las vías fotosintéticas, así como de los transportadores entre la
vaina y las células del mesófilo. La característica clave de la fotosíntesis C4 es que la fijación primaria del
carbono es llevada a cabo por PEPC (PEP citosólico) usando bicarbonato en lugar de CO2 como sustrato.
Además, el producto resultante de la fijación de carbono es OA, un ácido C4, en lugar de 3-PGA, un ácido C3.
OAAse reduce en el cloroplasto mesófilo por la malato deshidrogenasa (MDH) de malato (MA), que luego se
exporta a las células de la vaina, donde se descarboxila formando piruvato, CO2 y NADPH. El piruvato se
regenera en PEP en los cloroplastos de las células del mesófilo por fosfopiruvato ortofosfato dicinasa (PPDK).
Dentro del ciclo de Calvin, la fase reductiva se indica mediante una línea discontinua para subrayar que esto
ocurre principalmente en los cloroplastos del mesófilo. Una cantidad citosólica de bicarbonato y de CO2 se
mantienen en equilibrio por la expresión específica de la anhidrasa carbónica (AC) del cloroplasto (CPCA),
como
lo
demuestran
estudios
proteómicos
y
de
actividad.
regulada por proteínas bifuncionales cinasa / fosfatasa PPDK
La
actividad
de
PPDK
es
(PPDK-RP), la proteómica sugiere una
interacción estable entre PPDK y PPDK-RP en varios complejos de alto peso molecular. El análisis
proteómico comparativo mostró que enzimas específicas del ciclo de Calvin como Rubisco, Rubisco activasa,
fructosabisfosfto aldolasa (FBA), fosforilribulokinase (PRK), sedoheptulosa-1 ,7-bisfosfatasa (PAS) y proteínas
del cloroplasto de 12 kDa (CP12), están implicadas en el ensamblaje del supercomplejo y en la (in) activación
30
de la PRK y de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) en los cloroplastos C3; tienen muy altos
radios de expresión células de la vaina:mesófilo. Enzimas del Ciclo de Calvin implicadas en la reducción de la
triosafosfato (fosfoglicerato cinasa [PGK], GAPDH-A y B y la isomerasa triosafosfato [TPI]) se localizan
preferentemente en mesófilo o se distribuyen equitativamente entre la vaina y el mesófilo. Enzimas de la
biosíntesis de almidón (almidón sintasa y subunidades de ADPglucosa pirofosforilasa) tienen niveles más
altos de acumulación en el paquete de células de la vaina que en las del mesófilo. Se indican diversos
transportadores en el interior del cloroplasto (MEP1-4, MEX1, DIT1, DIT2, PPT, PPT*, TPT, AATP1 y ANTR2).
PPT* es probablemente una proteína PPT adaptada al metabolismo C4. Los signos de interrogación (para
MEP1-4 y PPT *) indican asignaciones provisionales. Las enzimas y las vías enriquecidas en las células del
mesófilo se muestran en color azul, mientras que aquellas de las células de la vaina se muestran en rojo.
Abreviaturas: FBP, fructosa 1,6-bisfosfatasa, RCA, Rubisco activase; EPR, ribulosa-fosfato 3-epimerasa, RPI,
ribosa-5P-isomerasa; TKL, transcetolasa. Tomadas de Majeran y van Wijk.
31
FOTOSINTESIS EN PROCARIONTES
La
fotosíntesis también es realizada por organismos procariontes, bacterias y
algas verde-azules. Existen grandes diferencias en el proceso fotosintético
realizado por ambos tipos de procariontes. Las algas verde-azules cuentan con un
doble sistema de pigmentos muy parecido al de los cloroplastos de plantas
superiores, donde sus pigmentos son ficoeritrobilina o ficocianobilina (por eso su
color) mientras que las bacterias solo utilizan un fotosistema (parecido al PSII) y
sus pigmentos (P870 o P960) son diferentes. Comúnmente las bacterias utilizan otra
fuente de electrones distinta al agua, como metano, monóxido de carbono, o
donadores inorgánicos como azufre o hidrógeno.
Comparación de los diferentes tipos generales de centros de reacción para procariontes con los
fotosistemas, según su análisis por cristalografía de rayos X. Tomado Heinnickel y Golbeck.
32
ASPECTOS IMPORTANTES PARA LA EVALUACIÓN DE LA FOTOSÍNTESIS
Finalmente, después de describir ampliamente el proceso fotosintético, es
importante señalar cuales de estos elementos podrían ser útiles para evaluarlo de
forma experimental. De forma sencilla podríamos decir que habría dos formas
generales: Evaluar los elementos de entrada a la reacción como son la luz y el
CO2 o los de salida como son la producción de carbohidratos o de oxígeno en el
caso de plantas superiores. La forma más sencilla usada por muchos años es la
gasometría para evaluar el consumo de CO2 o la liberación de O2, también la
obtención y cuantificación de los carbohidratos. Para estudios más detallados
comenzaron a usarse reacciones que detecten los cambios oxido-reducción en
diferentes pasos con cloroplastos o complejos enzimáticos y proteicos aislados.
Además se han aislado y caracterizado muchos de las moléculas participantes y
con las nuevas técnicas de biología molecular se han logrado mutaciones sitioespecíficas que nos han ayudado al mejor entendimiento del proceso. En la
actualidad
muchos esfuerzos se están realizando especialmente en
la
transferencia genética o tecnología transgénica para mejorar el rendimiento y
calidad de productos en cultivos comerciales.
33
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