Organización general de las células: Citosol y sistema de
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Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 1 Tema 13: Estructuras de producción de energética: I. MITOCONDRIAS. Arquitectura mitocondrial. Compartimientos mitocondriales. Composición de las membranas mitocondriales. Anatomía celular de la cadena respiratoria. Hipótesis quimiosmótica de Mitchell (1961). Biogénesis mitocondrial. Introducción al ADN mitocondrial Mitocondrias y evolución celular: las mitocondrias como endosimbiontes. II. CLOROPLASTOS. Plastos: Biogénesis. Cloroplastos: Estructura y compartimentos. Composición química. Fotosíntesis en plantas y cianobacterias. Anatomía de la cadena fotosintética. Señalización de proteínas para el cloroplasto. I. MITOCONDRIAS 1. Arquitectura mitocondrial. Compartimientos mitocondriales Las mitocondrias se suelen describir como cilindros alargados y rígidos, de 0,5-1 mm de diámetro y 1-10 mm de longitud. Pero con microscopía de contraste de fases, en células vivas se revela que las mitocondrias son orgánulos dinámicos; que cambian constantemente de forma, se mueven, agrupan, separan, fusionan y dividen. Presentan dos tipos de movimiento: de agitación y de traslación. Cada mitocondria está limitada por dos membranas altamente especializadas, que desempeñan un papel crucial en las actividades de la mitocondria. Ambas membranas definen dos compartimientos mitocondriales diferentes: el espacio interno de la matriz y un espacio intermembranal más estrecho que el anterior. La membrana externa contiene numerosas copias de una proteína de transporte, llamada porina, que forma grandes canales acuosos a través de la bicapa lipídica. Así, esta membrana es permeable para moléculas menores de 5.000 daltons. Luego el espacio intermembranal es químicamente equivalente al citosol respecto a las pequeñas moléculas que contiene; mientras que el espacio de la matriz contiene un grupo de pequeñas moléculas altamente seleccionado. El principal compartimiento de la mitocondria desde el punto de vista funcional es la matriz y la membrana interna que lo delimita. La membrana mitocondrial interna está altamente especializada. Contiene una elevada proporción del fosfolípido "doble" cardiolipina, que contiene cuatro ácidos grasos que al parecer colaboran en conseguir que la membrana sea especialmente impermeable a los iones. También presenta proteínas de transporte que hacen a la membrana interna permeable selectivamente a las pequeñas moléculas que son metabolizadas o que son necesarias para las numerosas enzimas mitocondriales concentradas en la matriz. Entre estas enzimas están las que metabolizan el piruvato y ácidos grasos hasta acetil-CoA, oxidando a este último en el ciclo de Krebs. Las enzimas de la cadena respiratoria están situadas en la membrana mitocondrial interna, que suele estar muy replegada en el espacio de la matriz, formando una serie de dobleces denominados crestas, que aumentan notablemente el área de la membrana interna. Sobre las membranas internas en su cara hacia la matriz existen unas Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 2 estructuras a modo de esferas pediculadas que se corresponden con la ATPasa de la fosforilación oxidativa, y a las que se les denominan partículas F (F1, la esfera y F0, el tallo). Además de las diferencias morfológicas, también existen diferencias substanciales en las enzimas mitocondriales de diferentes tipos celulares. El número de crestas es muy variable y, normalmente va relacionado directamente con las necesidades de producción de energía de la célula. Las crestas se orientan preferentemente perpendiculares al eje longitudinal de la mitocondria. El compartimiento interno de la mitocondria comprende algunas estructuras como ribosomas, DNA, gránulos osmiófilos (cationes divalentes, principalmente de Ca2+) e inclusiones lipídicas. Los ribosomas mitocondriales son generalmente más pequeños que los citoplasmáticos. En células animales son 2/3 más pequeños que los de bacterias y varían de 55S a 60S. Están constituidos por dos subunidades: 35S (con RNA de 16S y 4S) y 25S (con RNA de 12S). Como en procariotas, la síntesis proteica se inicia con N-formil-metionina. Van a sintetizar algunas proteínas de la mitocondria, principalmente ciertas proteínas integrales de la membrana interna. Las restantes proteínas se importan del citoplasma. Características de los ribosomas mitocondriales Coeficiente de sedimentación 55S-60S Subunidades 35S 25S rRNA Inicio de síntesis proteica 16S 4S N-formil-metionina 12S 1.1. Composición de las membranas mitocondriales Membrana externa: tiene un 60% de proteínas y 40% de lípidos; y es más semejante al retículo endoplasmático que la interna, pues contiene algo de colesterol, fosfatidil-colina, fosfatidil-etanolamina, fosfatidil-inositol y escasa cardiolipina (difosfatidil-glicerol). Posee pocas enzimas y es muy permeable gracias a la porina. Membrana interna: tiene un 80% de proteínas y un 20% de lípidos. Es más semejante a la de bacterias y laminillas internas de cloroplastos, carece de colesterol y contiene fosfatidil-glicerol y cardiolipina en proporción mucho más abundante que en la membrana externa. Posee muchas más enzimas y es muy impermeable. 2. Anatomía celular de la cadena respiratoria En la mayoría de las células, el ciclo de Krebs (del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos) es el responsable de la oxidación total de unos 2/3 de los compuestos de carbono, y sus principales productos finales son el CO2 y electrones ricos en energía, los cuales pasan vía NADH2 y FADH2 a la cadena respiratoria; que son su contribución más importante al metabolismo celular durante la oxidación de los dos átomos de carbono del grupo acetilo. El CO2 es eliminado como producto de desecho, mientras que los Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 3 electrones ricos en energía son rápidamente transferidos a la cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna, donde finalmente se combinan con el O2 formando H2O. El FADH2, que forma parte del complejo de la FADH2-succinato deshidrogenasa de la membrana interna, cede sus electrones directamente a la cadena respiratoria. Por contra, el NADH2 se acumula en la matriz mitocondrial y transfiere sus electrones después de que se produzca una colisión al azar con el complejo NADH-deshidrogenasa de la membrana interna. El NADH2 y FADH2 ceden los electrones, que son conducidos por la cadena respiratoria o transportadora de electrones, separándose de los H+, hasta que se reúnen de nuevo con éstos y el O2 para formar H2O. Esta cadena comprende numerosos componentes asociados en forma de complejos enzimáticos, cada uno de los cuales presenta proteínas de transmembrana que sostienen el complejo en la membrana mitocondrial interna, una flavoproteína Fe-S, ubiquinona y la cadena de citocromos. Los citocromos b-c1 forman un complejo en forma de dímero que contiene al menos ocho polipéptidos diferentes. Cada monómero tiene dos grupos hemo con Fe y una proteína Fe-S. Acepta electrones de la ubiquinona y los transfiere al citocromo c. Este transporta los electrones al complejo dimérico de la citocromo-oxidasa, que contiene los citocromos a y a3, con dos grupos hemo y un grupo con Cu. En este complejo se unen los electrones con los protones y con el O2 para formar H2O, consumiéndose aproximadamente el 90% del O2 utilizado por la célula. Los electrones empiezan con una energía muy alta, que van perdiendo a medida que pasan a lo largo de la cadena. Cada complejo de la cadena tiene mayor afinidad por los electrones que su predecesor. La energía liberada por el paso de los electrones a lo largo de la cadena respiratoria se almacena en forma de gradiente electroquímico de protones a través de la membrana mitocondrial interna, que ejerce una fuerza protón-motriz que impulsa los H+ hacia el espacio de la matriz mitocondrial. La transferencia de electrones por la cadena respiratoria está acoplada a la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi. A este proceso de fosforilación dependiente del transporte electrónico se le denomina fosforilación oxidativa y depende de un proceso quimiosmótico. 2.1. Hipótesis quimiosmótica de Mitchell Según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell (1961), cuando los electrones de alta energía del NADH2 y FADH2 son transferidos a lo largo de la cadena respiratoria de la membrana mitocondrial interna, la energía que se libera cada vez que pasan de una molécula transportadora a la siguiente es utilizada para bombear H+ desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranal. Produciendo un gradiente de concentración (una unidad de pH) y eléctrico (0,16 V), debido a la impermeabilidad de la membrana mitocondrial interna a los H+. La energía obtenida en los procesos oxidativos se almacena así en forma de un gradiente electroquímico de H+, que será utilizado en la fosforilación y en otros procesos que requieran energía (transporte de membrana). La fosforilación se lleva a cabo por una enzima ligada a la membrana, la ATP sintetasa mitocondrial, que opera de modo inverso a las bombas de la membrana plasmática. A través Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 4 de la ATP sintetasa fluyen H+ hacia la matriz mitocondrial a favor de gradiente electroquímico, y ese paso activa la reacción: ADP + Pi ⇒ ATP + H2O completando la fosforilación oxidativa. 3. Biogénesis mitocondrial Para poder seguir el ritmo de crecimiento y división celular, las células han de generar nuevos orgánulos citoplasmáticos. También han de reponer los orgánulos que son degradados como parte del proceso continuo de recambio de orgánulos que se producen en células no proliferativas. La biosíntesis de orgánulos supone la síntesis ordenada de las proteínas y lípidos necesarios; así como el transporte de cada componente al subcompartimento del orgánulo adecuado. La biogénesis de las mitocondrias supone la contribución de dos sistemas genéticos diferentes. Mientras que la mayoría de las proteínas mitocondriales son codificadas por el ADN nuclear y son importadas hacia el orgánulo desde los ribosomas del citosol, otras proteínas son codificadas por el ADN del propio orgánulo y son sintetizadas en los ribosomas mitocondriales. Parece que el tráfico de proteínas entre citoplasma y mitocondria es unidireccional, ya que no se conoce ninguna proteína que sea exportada desde la mitocondria al citosol. Mediante la aplicación de inhibidores específicos de la síntesis de proteínas se puede conocer la contribución de los sistemas genéticos nuclear y mitocondrial a la formación de las mitocondrias. Las mitocondrias no se sintetizan nunca "de novo". Surgen por crecimiento y división de mitocondrias preexistentes. La prueba más evidente de que las nuevas mitocondrias se forman a partir de otras la proporcionó Lucke (1963). Tras suministrar colina radiactiva a Neurospora sp. durante un cierto tiempo, observo que sus mitocondrias quedaban marcadas. Después de suprimir la colina radiactiva y suministrar otra sin marcar, aprecio que, en las siguientes generaciones celulares, la radiactividad se repartía entre las mitocondrias de forma que la cantidad de radiactividad encontrada en cada mitocondria era aproximadamente la mitad que en la división precedente. Si no hubiera habido una reproducción de las mitocondrias, toda la colina marcada hubiera permanecido en las primeras mitocondrias y no aparecería en las mitocondrias formadas tras retirar la colina marcada. Las observaciones de células vivas indican que las mitocondrias no solo se dividen, sino que también se fusionan una con otra. Estudios microscópico electrónicos, sugieren que la división de las mitocondrias empieza con la invaginación de la membrana interna, tal como ocurre en la división celular de muchas bacterias, lo cual implica que se trata de un proceso controlado y no de un acontecimiento causado por un estrangulamiento casual. La división de las mitocondrias puede darse por tres mecanismos: bipartición, estrangulación y gemación. Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 5 En la mayoría de las células, las mitocondrias se dividen durante la interfase, en desfase con el proceso de división celular o con la división de los otros orgánulos celulares. La replicación del ADN mitocondrial se realiza a lo largo de todo el ciclo celular. Parece que las moléculas de ADN de las mitocondrias se seleccionan al azar para su replicación, de manera que durante un ciclo celular determinado algunas de ellas pueden replicarse más de una vez y otras no llegar a replicarse. De cualquier modo, en condiciones constantes el proceso está regulado asegurando que el número total de moléculas de ADN se duplique en cada ciclo celular, de tal manera que cada tipo celular mantiene una cantidad constante de ADN mitocondrial. El número de orgánulos que se presentan en cada célula puede estar regulado de acuerdo a las necesidades de la célula. 4. Introducción al ADN mitocondrial En la matriz mitocondrial se distinguen unos filamentos de unos 2,5 nm de espesor que se identifican como ADN. Este ADN es una doble hélice, que no está unida a proteínas (histonas) y no forma cromosomas; sino una única cadena. Que en la mayoría de organismos es circular, como el genoma de bacterias; pero en algunas algas unicelulares y protozoos tiene disposición lineal. La longitud del mDNA es de unos 5-6 mm en la mayoría de células animales y mayor en levaduras y algunas células eucarióticas inferiores (10-30 mm). En plantas superiores el mDNA es extraordinariamente largo (30-800 mm). Dentro de un mismo organismo, el mDNA varía poco de unas células a otras. En organismos animales con reproducción sexual, los genes mitocondriales se heredan exclusivamente de la madre. Diferencias entre el código genético nuclear y mitocondrial Núcleo Codón Mitocondrias Plantas Hongos Insectos Mamíferos UGA Stop Stop Trp Trp Trp AUA Ile Ile Met Met Met CUA Leu Leu Thr Leu Leu AGA-AGG Arg Arg Arg Ser Stop El genoma mitocondrial de mamíferos consta de unos 16.500 pares de bases y casi todo él codifica proteínas o transcribe moléculas de rRNA y tRNA, aunque también contiene un par de secuencias reguladoras de ADN. Mientras que en el citoplasma hay 31 tRNA diferentes, en las mitocondrias sólo hay 22 tRNA. Además, cuatro de los 64 codones tienen significados diferentes a lo que ocurre en el citoplasma. Para poder leer los codones con tan pocos tRNAs, las reglas de apareamiento codón-anticodón están "relajadas" en las mitocondrias. El genoma mitocondrial de plantas varía de 150.000-2.500.000 pares de bases. Sin embargo, codifica muy pocas proteínas más que en animales, debido a secuencias intrónicas. Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 6 Todas las mitocondrias contienen múltiples copias de la molécula de ADN. Normalmente, están distribuidas en varios grupos separados, situados en la matriz mitocondrial donde están unidos a la membrana interna. Las mitocondrias contienen sistemas genéticos completos. Las mitocondrias llevan a cabo la replicación de su ADN, trascripción y síntesis proteica. Aunque las proteínas que realizan estos procesos genéticos son exclusivas del orgánulo, son codificadas por el genoma nuclear. Los genes mitocondriales se pueden distinguir de los genes nucleares gracias a su herencia no mendeliana o citoplasmática. 5. Mitocondrias y evolución celular: las mitocondrias como endosimbiontes El carácter procariota del sistema genético de las mitocondrias sugiere que las mitocondrias, en su inicio, eran organismos procariotas aerobios que fueron endocitados por organismos eucariotas anaerobios hace más de mil millones de años, para usar su sistema de fosforilación oxidativa. Estableciéndose una relación de simbiosis estable, reproduciéndose conjuntamente y convirtiéndose en un componente más de la célula. Esta es la hipótesis endosimbiótica, que se apoya en: − El ADN mitocondrial es semejante al de las bacterias. − Los ribosomas mitocondriales son similares a los de procariotas. − El antibiótico cloranfenicol inhibe la síntesis de proteínas bacterianas y también la de proteínas mitocondriales, pero no la del resto de proteínas del citoplasma de las células eucarióticas. − Tanto las bacterias aerobias como las mitocondrias contienen en sus membranas enzimas de la fosforilación oxidativa. − Hay unidades proyectantes en el mesosoma bacteriano, que de este modo guardan cierto parecido con las crestas mitocondriales. − Las mitocondrias de eucariotas muy diferentes (hongos y mamíferos) contienen en su membrana proteínas con características inmunológicas comunes. − En su composición la membrana mitocondrial externa es más parecida al retículo endoplasmático, mientras que la membrana interna se parece más a la membrana plasmática de procariotas. El proceso de endocitosis que condujo al desarrollo de las mitocondrias se produjo cuando el O2 apareció en la atmósfera en cantidades substanciales, hace aproximadamente 1,5x109 años. Dado que la mayoría de los genes que codifican las proteínas actuales se hallan en el núcleo celular, parece probable que durante la evolución eucariótica se produjera una extensa transferencia de genes mitocondriales al ADN nuclear. Esto explicaría por qué algunos de los genes nucleares que codifican proteínas mitocondriales se parezcan a los genes bacterianos. Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 7 ¿Qué tipo de bacteria dio lugar a las mitocondrias? Los análisis más recientes indican que las mitocondrias descienden de un tipo particular de bacteria purpúrea fotosintética, que previamente perdió la capacidad de realizar la fotosíntesis y que se quedo únicamente con la cadena respiratoria. Pero no está claro si todas las mitocondrias se originaron a partir de un sólo suceso endosimbiótico o no. II. CLOROPLASTOS 1. Plastos. Biogénesis Los plastos o plastidios son orgánulos exclusivos de células vegetales y están relacionados con procesos metabólicos primordiales, pues son capaces de sintetizar y almacenar sustancias. Se encuentran en la mayoría de las plantas superiores e inferiores. Hay diversos tipos de plastos, pero todos tienen en común la existencia de una doble membrana. Según su aspecto y función se pueden clasificar en: a) Indiferenciados: - Proplastos: son el origen de los demás. - Etioplastos: provienen de proplastos diferenciados en oscuridad. b) Diferenciados: - Cloroplastos: son cromatóforos y fotosintéticamente activos. - Cromoplastos: son cromatóforos y fotosintéticamente inactivos. - Leucoplastos: son incoloros y fotosintéticamente inactivos. Especializados en almacenar sustancias. Subtipos: • Amiloplastos (almidón). • Oleoplastos (aceites). • Proteinoplastos (proteínas). Los plastos no sólo realizan fotosíntesis y almacenamiento; también se utilizan en el metabolismo intermedio, pues producen la mayor parte de la energía (ATP) y poder reductor (NADH), necesario para las reacciones biosintéticas de la planta. También la síntesis de bases púricas y pirimidínicas, muchos aminoácidos y todos los ácidos grasos de la planta tiene lugar en los plastos. 1.1. Biogénesis Se creía que los plastos se originaban "ex novo" en las células vegetales. Pero al descubrirse la presencia de ADN propio de cloroplastos, se pensó que podrían reproducirse, como las mitocondrias. Los plastos proliferan en el citoplasma mediante división y crecimiento. Hoy se considera que los cloroplastos evolucionaron a partir de bacterias fotosintéticas, aunque muchos de los genes originales pueden ser identificados en el genoma celular y no en del cloroplasto. Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 8 Hay evidencias de que en el desarrollo de los plastos el genoma desempeña un papel importante. Muchos de los genes que controlan este desarrollo son activados por la luz, mediante un pigmento fotorreceptor tipo fitocromo. Aunque no están bien establecidas las relaciones entre los diferentes tipos de plastos en plantas superiores, parece que todos provienen de los proplastos. En presencia de luz los proplastos dan los cloroplastos. En oscuridad originan etioplastos, que al pasar a presencia de luz se diferencian a cloroplastos. Respecto a las relaciones entre leucoplastos, cloroplastos y cromoplastos; se han sugerido dos posibilidades: a) Evolución progresiva, donde los cromoplastos serían los plastos más viejos: Proplasto > Leucoplasto > Cloroplasto > Cromoplasto b) Interconvertibilidad entre los tres tipos de plastos. 2. Cloroplastos. Estructura y compartimientos Los cloroplastos realizan la fotosíntesis mediante el pigmento clorofila. Son muy abundantes en células vegetales superiores diferenciadas, situándose en la periferia de la célula, alrededor de la gran vacuola central. Su número es muy variable; dependiendo del tejido, tipo celular o localización en la planta. En general, los cloroplastos de células vegetales superiores son ovoides (4-6 mm). Mientras que en plantas inferiores muestran formas muy variables. El cloroplasto está formado por una doble membrana (envoltura) delimitando el estroma, que contiene un sistema de dobles perfiles membranosos que forman el sistema de laminillas. Composición química de los cloroplastos Componente Porcentaje Proteínas 35-55 Lípidos 20-30 Glúcidos muy variable Clorofila 9 Carotenoides y otros pigmentos 1-5 ADN 0,5 ARN 1-4 2.1. Envoltura y sistemas de laminillas La doble membrana de la envoltura del cloroplasto deja un espacio intermembranoso de unos 10-30 nm denominado espacio periplástico. Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 9 En el interior del cloroplasto se observa un sistema de dobles membranas, orientadas preferentemente en sentido longitudinal y denominadas laminillas, cuya luz es de unos 7 nm. Estas laminillas se han comparado con las crestas mitocondriales, y según algunos autores, se originan a partir de invaginaciones de la membrana interna del cloroplasto, como se aprecia en cloroplastos muy jóvenes. De trecho en trecho, sobre las laminillas paralelas se observan otras dobles membranas en forma de sáculo de unos 0,5 µm de longitud, los tilacoides; que se encuentran superpuestos formando pilas de hasta 20 sáculos, los granum. En bioquímica, la terminología se a simplificado y se denomina laminillas apiladas (granum) o no apiladas, pues ello indica diferencias funcionales. Cada cloroplasto consiste en varias capas de laminillas paralelas, dispuestas en sentido longitudinal, de extremo a extremo del cloroplasto. 2.1.1 Composición química Composición química del sistema de membranas del cloroplasto Componente Doble membrana de envoltura Laminillas Proteínas 60% 38% Lípidos 40% 50% Clorofila - 9% Carotenoides y otros pigmentos - 1-5% R.E. - Similaridad 2.2. Estroma 2.2.1. Ribosomas El estroma del cloroplasto contiene ribosomas de aproximadamente 70S, similares en estructura y sensibilidad a los antibióticos a los de Escherichia coli; son más parecidos a los ribosomas de procariotas que los ribosomas mitocondriales. La síntesis proteica se inicia con la N-formil-metionina, como en bacterias y mitocondrias. Contienen unas 60 proteínas, de las que unas 40 se sintetizan en el citoplasma. 2.2.2. ADN En el estroma del cloroplasto también se encuentra una estructura filamentosa, llamada nucleoide, que corresponde a ADN. Es una doble hélice circular, de 40-200 µm de longitud. Los cloroplastos contienen toda la maquinaria necesaria para los procesos de replicación del ADN, transcripción y traducción. Codifica los 30 tRNA presentes, 4 rRNA, varias subunidades de ARN polimerasa propia, diferentes mRNA para la síntesis de proteínas (incluyendo 20 proteínas de los ribosomas de cloroplastos), varias proteínas de los fotosistemas I y II, subunidades de la ATP sintetasa (CF), parte de los complejos enzimáticos de la cadena transportadora de electrones, una subunidad de la ribulosa-difosfato Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 10 carboxilasa y unas 40 proteínas de función desconocida. Este ADN puede ser transcrito por la ARN polimerasa de E. coli. La reproducción de los cloroplastos esta controlada por el genoma nuclear (Experimentos con Euglena sp.). 2.2.3. Otros componentes En el estroma también se aprecian gránulos de almidón e inclusiones esféricas de lípidos. Además, se observan inclusiones esféricas lipoproteicas densas, pequeñas, que en algunos casos contienen quinonas; estas inclusiones se llaman plastoglóbulos. Pueden estar relacionados con sustancias necesarias en la formación de los sistemas de laminillas; ya que sólo se observan en estadio adulto y no en los estadios juvenil y senescente de cloroplasto. En el estroma son muy abundantes las proteínas enzimáticas, las mayores pueden formar cristales. Además, se encuentran átomos de metales: Fe, Cu, Mn y Zn. En el estroma de los cloroplastos de algas se suelen encontrar unas estructuras granulares denominadas pirenoides, con un núcleo central proteico (ribulosa-difosfato carboxilasa) rodeado de capas de almidón. 3. Fotosíntesis en plantas y cianobacterias. Anatomía de la cadena fotosintética Se cree que los primeros organismos de la Tierra primitiva tenían acceso a abundantes compuestos orgánicos de origen geoquímico, pero la mayoría de estos compuestos originales se agotaron hace miles de millones de años. Desde ese período, prácticamente todos los materiales orgánicos que han necesitado las células vivas han sido producidos por organismos fotosintéticos, incluyendo muchos tipos de bacterias fotosintéticas. Las cianobacterias son las bacterias fotosintéticas más evolucionadas, tienen unos requerimientos nutricionales mínimos. Estas bacterias utilizan los electrones del H2O (las bacterias sulfúreas usan el H2S) y la energía de la luz solar para convertir el CO2 atmosférico en materia orgánica. En el curso de la hidrólisis del agua se libera a la atmósfera O2. En las plantas, que se desarrollaron más tarde, la fotosíntesis se realiza en un orgánulo intracelular altamente especializado, el cloroplasto; que sintetiza materia orgánica a partir de materia inorgánica. Siendo la reacción global: nCO2 + 2nH2O ⇒ luz ⇒ (CH2O)n + nO2 La fotosíntesis comprende: a) Fase luminosa: La luz excita la liberación de electrones de la clorofila y produce la fotólisis del H2O, con la consiguiente liberación de O2 que se desprende, mientras que el H2 se utiliza para la reducción de NADP+ a NADPH. Se realiza en el sistema de laminillas. Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 11 b) Fase oscura: El CO2 es reducido para sintetizar carbohidratos con la intervención de NADPH y ATP. Se realiza en el estroma. 3.1. Fase luminosa En la fase luminosa intervienen los siguientes complejos: - Fotosistema I: es excitado por luz de 700 nm o menos. Está compuesto por unas 200 moléculas de clorofila a, 50 de carotenoides y una de clorofila a o pigmento P700. - Fotosistema II: es excitado por luz de 680 nm o menos, y contiene clorofila a, b y clorofila b o pigmento P680. - Cadena transportadora de electrones que transfiere electrones del fotosistema II al I. - Factor de acoplamiento de la fotofosforilación fotosintética (CF), semejante a la ATP sintetasa de mitocondrias. En el fotosistema II, los cuantos de luz extraen electrones de la clorofila que, a su vez, los recibe del + H2O mediante un dador primario Z, y se libera O2 y H . Los electrones pasan hacia el fotosistema I mediante la cadena transportadora de electrones que comprende: ⇒ Fotosistema II ⇒ Transportador Q ⇒ Plastoquinona (PQ) ⇒ Citocromos b6-f ⇒ Plastocianina (PC) ⇒ Fotosistema I Cuando el fotosistema I es excitado, los cuantos de luz atrapados por el P700 elevan el potencial de los electrones, que son cedidos para reducir la ferredoxina (FD) y, por medio de la NADP-reductasa (FAD), + + se transfieren al NADP , el cual recibe también H y es reducido a NADPH. El hueco dejado por los electrones en el P700 es rellenado por los electrones transferidos desde el fotosistema II por la plastocianina, que es una proteína móvil con Cu. + + La transferencia de electrones desde el H2O al NADP produce un gradiente de H entre la luz de los tilacoides (pH=5) y el estroma (pH=8) del orden de 3 unidades de pH. Ese gradiente se debe tanto a la + + asimetría de las reacciones de liberación y consumo de H (los H producidos por la fotólisis del H2O se + acumulan en el espacio intratilacoidal, mientras que la síntesis de NADPH consume H del estroma), como al bombeo de H+ hacia el tilacoide por los complejos fotosintéticos durante el transporte de electrones. En los cloroplastos existe una fosforilación inducida por luz, acoplada a la cadena de transferencia de electrones del fotosistema II al I. El factor de acoplamiento (CF: CF1 y CF0) es una ATP sintetasa que + produce la fosforilación de ADP en ATP; como en la mitocondria, está asociada al paso de los H hacia el estroma y se realiza a favor de gradiente, a través del factor de acoplamiento (CF). Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 12 3.2. Fase oscura Las enzimas de las reacciones independientes de la luz son solubles y se encuentran en el estroma del cloroplasto. Este proceso comprende numerosos pasos, que comienzan con la captación de CO2 por la ribulosa1,5-difosfato, produciéndose dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico, que será reducido por el NADPH para formar diferentes carbohidratos. El ATP también se utiliza como fuente de energía en varios pasos de este ciclo. La ecuación global es: 3CO2 + 9ATP + 6NADPH + H2O ⇒ Gliceraldehído-3P + 8Pi + 9ADP + 6NADP+ Gran parte del gliceraldehído-3P pasa al citoplasma donde se transforma tras varios pasos en sacarosa, que es transportada desde las hojas por los haces vasculares al resto de la planta. El gliceraldehído-3P que queda en el cloroplasto regenera la ribulosa-1,5-difosfato y el exceso se transforma en almidón. 3.3. Anatomía de la cadena fotosintética Las membranas de las laminillas muestran una estructura asimétrica, diferente a la de la membrana plasmática y otras membranas citoplasmáticas. Además, es diferente entre laminillas apiladas y no apiladas (las que no están en contacto con otras laminillas sino con el estroma) del cloroplasto. Estudios bioquímicos y morfológicos indican que las membranas de las laminillas apiladas tienen los fotosistemas I y II, y sus correspondientes subunidades asociadas; pero no el factor de acoplamiento (CF). Mientras que las membranas de laminillas no apiladas, sólo se encuentra el fotosistema I, sus subunidades asociadas y el factor de acoplamiento (CF). 4. Señalización de proteínas para el cloroplasto Los cloroplastos producen los lípidos que necesitan. Sin embargo, muchas de sus proteínas son importadas del citoplasma. Estas proteínas son sintetizadas con un péptido señal aminoterminal que es reconocido por un receptor de la membrana externa de la envoltura del cloroplasto y determina que la proteína se ancle en dicha membrana. Penetrando por un punto de unión de ambas membranas de la envoltura del cloroplasto. Pasando la proteína al estroma del cloroplasto. Si la proteína no ha de quedarse en el estroma y debe pasar a un tilacoide, se requiere un segundo péptido señal, en posición no terminal, a continuación del primer péptido señal. En este caso, la proteína penetra por un punto de unión de ambas membranas de la envoltura del cloroplasto y, una vez en el estroma, el primer péptido señal es hidrolizado, quedando el segundo péptido señal en posición terminal. La Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas 13 membrana del tilacoide presenta receptores para el segundo péptido señal que se ancla en ella y la proteína penetra en el espacio intratilacoidal. La transferencia de la proteína a la luz del tilacoide requiere energía. A diferencia de la transferencia de proteínas que tiene lugar en la mitocondria, en el cloroplasto la inserción de proteínas en su membrana no requiere el impulso del gradiente electroquímico, ni la hidrólisis del ATP; mientras que en la mitocondria si. En el cloroplasto este gradiente sólo se necesita para la inserción de proteínas en el tilacoide.
