capítulo 12 biología

Metabolismo Fototrófico de la Energía: Fotosíntesis

• Reacciones de transducción de energía
  • Transporte de electrones
  • Bomba de protones
  • Síntesis de ATP
• Reacciones de asimilación del carbono
  • Ciclo de Calvin
  • Biosíntesis de sacarosa
  • Síntesis de almidón

Cloroplasto

• Orgánulo donde ocurre la fotosíntesis en eucariontes.
• Estructura
  • Membrana interna
  • Membrana externa
  • Membrana tilacoidal: forma tilacoides que se apilan en grana.
  • Estroma: matriz tipo gel donde se encuentran enzimas para asimilación de carbono, nitrógeno y azufre.
  • Lumen tilacoidal: espacio dentro de los tilacoides.
• Procesos
  • Transducción de energía: ocurre en las membranas tilacoidales.
  • Asimilación de carbono: ocurre en el estroma (ciclo de Calvin).

Fotosíntesis

• Ecuación general:

  $Luz + CO<em>2 + 2H</em>2A \rightarrow [CH<em>2O] + 2A + H</em>2O$

  • $H_2A$ es un donador de electrones adecuado.
  • $[CH_2O]$ representa una molécula orgánica de carbono en el nivel de oxidación de un alcohol.
  • $A$ es la forma oxidada del donador del electrón.

• En fotótrofos oxigénicos (plantas, algas, cianobacterias):

  $Luz + CO<em>2 + 6H</em>2O \rightarrow C<em>3H</em>6O<em>3 + 3O</em>2 + H_2O$

  • El producto intermedio es una triosa fosfato.

Destinos de las Triosas Fosfato

• Biosíntesis de sacarosa:
  • La sacarosa transporta energía y carbono reducido a células no fotosintéticas.
  • Es la principal forma de transporte de carbohidratos en la mayoría de las plantas.
• Biosíntesis de almidón:
  • Se acumula cuando la asimilación de carbono fotosintético excede la demanda de energía y carbono del fotoautótrofo.
  • Es la principal forma de almacenamiento de carbohidratos.

Cloroplastos

• Normalmente grandes (1-5 μm de ancho y 1-10 μm de largo).
• Una célula de hoja madura contiene 20-100 cloroplastos.
• Una célula de alga típica contiene uno o pocos cloroplastos.
• La forma varía desde esferas simples aplastadas a formas más elaboradas.
• No todas las células de las plantas contienen cloroplastos.
  • Las células de plantas recién diferenciadas tienen orgánulos más pequeños llamados protoplastidios.

Protoplastidios

• Pueden desarrollarse en diferentes tipos de plastidios con funciones diferentes.
  • Amiloplastos: almacenamiento de almidón.
  • Cromoplastos: acumulan pigmentos rojos, naranjas o amarillos (color de flores y frutos).
  • Proteinoplastos: almacenamiento de proteínas.
  • Elaioplastos: almacenamiento de lípidos.

Membranas del Cloroplasto

• Tres sistemas de membranas:
  • Membrana externa: contiene porinas, permeable a moléculas pequeñas e iones (hasta 5.000 daltons).
  • Membrana interna: barrera de permeabilidad significativa, con proteínas transportadoras que controlan el flujo de metabolitos.
  • Membrana tilacoidal: forma tilacoides, donde se localizan pigmentos fotosintéticos, enzimas para fotorreacciones, transportadores de electrones y proteínas para la síntesis de ATP.
• Moléculas que difunden libremente a través de las membranas externa e interna: agua, dióxido de carbono y oxígeno.
• Los grana (singular: granum) son montones de tilacoides interconectados por tilacoides del estroma.
• Las membranas tilacoidales limitan un compartimento único y continuo llamado el lumen tilacoidal.

Teoría Endosimbiótica

• Mitocondrias y cloroplastos evolucionaron a partir de bacterias que fueron invaginadas por células primitivas hace 1 o 2 mil millones de años.
• Evidencia:
  • Mitocondrias y cloroplastos contienen su propio ADN.
  • Son orgánulos semiautónomos, sintetizan proteínas y se dividen por sí mismos.
  • La síntesis de ADN, ARN y proteínas en mitocondrias y cloroplastos es más similar a la de células procariotas que a la de células eucariotas.
• Pasos propuestos:
  • Protoeucariota (célula eucarionte ancestral) ingirió bacterias aerobias (que luego evolucionaron a mitocondrias) por fagocitosis.
  • Un subgrupo de eucariotas primitivos ingirió cianobacterias (que luego evolucionaron a cloroplastos).
• Similitudes específicas:
  • Secuencia de bases del rRNA mitocondrial coincide más con bacterias púrpuras.
  • Secuencia de bases del rRNA del cloroplasto coincide más con cianobacterias.
• Variaciones entre cloroplastos
  • Pigmentos que absorben la luz presentes en los cloroplastos de diferentes eucariotas fototróficos
    • clorofilas a y b en plantas superiores y en las algas verdes
    • clorofila a y las ficobilinas en algas rojas
    • clorofilas a y c en algas pardas, dinoflagelados y diatomeas.

Endosimbiosis Actuales

• Algas, dinoflagelados, diatomeas y procariotas fotosintéticos viven como endosimbiontes en el citoplasma de células en más de 150 tipos diferentes de protistas e invertebrados existentes actualmente.

Naturaleza de la Luz

• La luz se considera una onda con longitudes de onda entre 380 y 750 nm (visible).
• La luz también se comporta como un flujo de partículas llamadas fotones, cada uno con un cuanto de energía.
• Longitud de onda y energía son inversamente proporcionales: a menor longitud de onda, mayor energía (luz ultravioleta o azul vs. luz roja o infrarroja).

Absorción de Luz

• Cuando un fotón es absorbido por un pigmento (ej. clorofila), la energía se traslada a un electrón, que se excita a un orbital de alta energía.
• Los pigmentos tienen espectros de absorción característicos.
• Un electrón fotoexcitado debe regresar a su estado basal.
  • Posibles destinos de la energía:
    • Liberación de calor y un fotón de menor energía (fluorescencia).
    • Transferencia de la energía de excitación a un electrón de una molécula de pigmento adyacente (transferencia de energía de resonancia).
    • Transferencia del electrón fotoexcitado a otra molécula (reducción fotoquímica).

Clorofila

• Pigmento primario en casi todos los organismos fotosintéticos que canaliza la energía solar hacia la biosfera.
• Estructura:
  • Anillo porfirínico central (absorbe luz visible).
  • Cadena lateral fitol hidrofóbica (ancla la molécula a las membranas).
  • Ion de magnesio ($Mg^{2+}$) presente en las clorofilas a y b afecta a la distribución de electrones en el anillo porfirínico y asegura que estén disponibles diversos orbitales de alta energía.
  • Clorofila a: Máximos de absorción alrededor de 420 y 660 nm.
  • Clorofila b: Grupo formil (CHO) en lugar de metilo (CH3) en el anillo de porfirina, desplazando la absorción máxima hacia la región central del espectro visible.

Pigmentos Accesorios

• Absorben fotones que la clorofila no puede capturar, ampliando el espectro de luz solar utilizable.
• Tipos:
  • Carotenoides (ej. β-caroteno y luteína): matiz anaranjado o amarillo, absorben en la región azul del espectro.
  • Ficobilinas (ej. ficoeritrina y ficocianina): en algas rojas y cianobacterias; ficoeritrina absorbe en azul, verde y amarillo, ficocianina en naranja.

Fotosistemas y Complejos Antena

• Las moléculas de clorofila, pigmentos accesorios y proteínas asociadas se organizan en unidades funcionales llamadas fotosistemas.
• Los fotosistemas se localizan en los tilacoides o membranas bacterianas fotosintéticas.
• Pigmentos antena captadores de luz: absorben fotones y pasan la energía a moléculas vecinas mediante transferencia de energía resonante.
• Centro reactivo: donde residen dos moléculas de clorofila a distintas conocidas como par especial, catalizan la conversión de la energía solar en energía química.
• Complejo recolector de luz (LHC): recoge energía de la luz y la pasa a un fotosistema cercano (transferencia de energía resonante).
  • Plantas y algas verdes: LHCs compuestos de 80-250 moléculas de clorofila a y b, carotenoides y proteínas.
  • Algas rojas y cianobacterias: ficobilisomas (LHCs que contienen ficobilinas en vez de clorofilas y carotenoides).
• Fotosistema y LHC asociado = complejo fotosistema.

Fotosistemas I y II

• Fotótrofos oxigénicos tienen dos fotosistemas distintos (PSI y PSII):
  • Fotosistema I (PSI): con un máximo de absorción a 700 nm, absorbe longitudes de ondas largas y cortas de luz roja.
  • Fotosistema II (PSII): con un máximo de absorción de 680 nm, únicamente absorbe longitudes de onda corta de luz roja.
    • Cada electrón que pasa desde el agua a NAD debe ser fotoexcitado dos veces, una por el PSI y otra por PSII.
• P700 y P680: par especial de moléculas de clorofila dentro de los centros reactivos de PSI y PSII, respectivamente.

Fotorreducción en Fotótrofos Oxigénicos

• Los dos fotosistemas (PSI y PSII) conservan eficazmente la energía en forma de electrones fotoexcitados, donados por el agua, que se transfieren al NADP para formar NADPH.
• Absorción de energía por cada fotosistema empuja electrones hacia el nivel superior de un ETS.
• Parte de la energía se conserva en forma de gradiente electroquímico de protones a través de la membrana del tilacoide
• Electrones pasan desde PSI a la ferredoxina (Fd) y luego a NADP, conservando el poder reductor en la forma de NADPH.

Fotosistema II

• PSII usa los electrones del agua para reducir una plastoquinona a platoquinol.

• Incluye proteínas D1 y D2, clorofilas adicionales y β-carotenos.

• Energía captada por los pigmentos antena se canaliza al centro reactivo (P680).

• P680 pasa un electrón fotoexcitado a la feofitina (Ph).

• El electrón pasa a QA (plastoquinona unida a la proteína D2) y luego a QB (plastoquinona unida a la proteína D1).

• QB reducida capta dos protones del estroma, formando plastoquinol ($QBH2$), que transporta electrones y protones al complejo citocromo $b6/f$.

• Complejo productor de oxígeno (OEC) repone electrones de P680 oxidado mediante la oxidación del agua a oxígeno molecular ($O_2$).

• Reacción final catalizada por el PSII:

  $4 fotones + 2H<em>2O \rightarrow O</em>2$

Fotolisis del Agua

• Oxidación del agua dependiente de la luz para dar lugar protones y a oxígeno molecular. Se cree que apareció en las cianobacterias hace 2 o 3 mil millones de años.
• Oxígeno liberado cambió drásticamente la atmósfera primitiva de la tierra y permitió el desarrollo de la respiración aerobia.

Complejo Citocromo b6/f

• Transfiere electrones desde el plastoquinol a la plastocianina, unida a una bomba de protones unidireccional.

• Compuesto por cuatro proteínas integrales de membrana.

• $QBH2$ dona los electrones al citocromo f a través del citocromo $b6$ y una proteína ferrosulfurada.

• El citocromo f dona los electrones a una proteína que contiene cobre llamada plastocianina (PC).

• Reacción final catalizada por el complejo citocromo $b_6/f$:

  $2QBH<em>2 + 4PC(Cu^{2+}) \rightarrow 2QB + 4H^+</em>{lumen} + 4PC(Cu^+)$

Fotosistema I

• Transfiere electrones fotoexcitados desde la plastocianina reducida a una proteína conocida como ferredoxina.

• Centro de reacción incluye $A0$ (clorofila a), filoquinona ($A1$) y centros ferrosulfurados (FX, FA, FB).

• La energía que se absorbe por PSI disminuye el potencial de reducción de su par especial de clorofilas, llamados P700.

• La ferredoxina (Fd) es una proteína móvil ferrosulfurada en el estroma del cloroplasto y es un importante reductor en distintas vías metabólicas (asimilación de nitrógeno y de sulfuro).

• Reacción neta catalizada por PSI:

  $4 fotones + 4PC(Cu^+) + 4Fd(Fe^{3+}) \rightarrow 4PC(Cu^{2+}) + 4Fd(Fe^{2+})$

Ferredoxina-NADP+ Reductasa (FNR)

• Cataliza la transferencia de electrones desde la ferredoxina a NADP+, produciendo NADPH.

• Reacción:

  $4Fd(Fe^{2+}) + 2NADP^+ + 2H^+_{estroma} \rightarrow 4Fd(Fe^{3+}) + 2NADPH$

Flujo No Cíclico de Electrones

• Flujo unidireccional y continuo de electrones desde el agua a NADP+.

• Resultado neto de la oxidación completa dependiente de la luz de dos moléculas de agua:

  $4 fotones<em>{PSII} + 4 fotones</em>{PSI} + 2H<em>2O + 6H^+</em>{estroma} + 2NADP^+ \rightarrow 8H^+<em>{lumen} + O</em>2 + 2NADPH$

Fotofosforilación en Fotótrofos Oxigénicos

• La membrana del tilacoide es impermeable a los protones, generando un gradiente electroquímico de protones.

• La fuerza total motriz del protón (pmf) se calcula sumando la concentración de protones (pH) y el potencial de membrana ($V_m$).

• En cloroplastos, la contribución de ΔpH es más importante que la de ΔVm.

• El complejo ATP sintetasa ($CF0CF1$) se une para sintetizar ATP.

• Reacción catalizada por el complejo ATP sintetasa:

  $4H^+<em>{lumen} + ADP + P</em>i \rightarrow 4H^+_{estroma} + ATP$

Fotofosforilación Cíclica

• Permite equilibrar la síntesis de NADPH y ATP para cubrir las necesidades precisas de energía.
• La ferredoxina reducida generada por el PSI puede pasar electrones hacia el complejo citocromo $b_6/f$ en vez de donarlos hacia el NADP, contribuyendo al pmf a través de la membrana tilacoidal.
• Electrones regresan desde la plastocianina a una molécula de P700 oxidada en el PSI, completando un circuito cerrado.
• El exceso de ATP que resulta de este flujo de electrones cíclico se llama ciclo de fotofosforilación.
• No está implicado el flujo de electrones desde PSII, no se oxida agua ni se libera oxígeno.

Centro de Reacción Fotosintético de una Bacteria Púrpura

• Incluye cuatro subunidades de proteínas:
  • Citocromo c unida a la superficie exterior de la membrana bacteriana.
  • L y M cruzan la membrana y estabilizan cuatro moléculas de bacterioclorofila b, dos moléculas de bacteriofeofitina y dos quinonas. Son homólogas a las proteínas D1 y D2.
  • H se une a la superficie citoplasmática de la membrana y es homóloga a una proteína de PSII llamada CP43.

El Ciclo de Calvin

• Vía fundamental para el movimiento del carbono inorgánico hacia la biosfera.
• Ocurre en todos los fotótrofos oxigénicos y en la mayoría de los fotótrofos anoxigénicos.
• En plantas y algas, se restringe al estroma del cloroplasto.
• El dióxido de carbono entra a la hoja a través de los estomas.

Fases del Ciclo de Calvin

• Carboxilación de la molécula orgánica aceptora ribulosa-1,5-bifosfato y su hidrólisis inmediata generar dos moléculas de 3-fosfoglicerato.
• Reducción de 3-fosfoglicerato para formar la triosa fosfato gliceraldehído-3-fosfato.
• Regeneración de la molécula aceptora inicial.

Carboxilación de la Ribulosa-1,5-Bifosfato

• El dióxido de carbono se une covalentemente al carbono del grupo carbonilo de la ribulosa-1,5-bifosfato.
• El primer producto detectable es el 3-fosfoglicerato catalizada por la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa (rubisco).
• La rubisco es la proteína más abundante en todo el planeta.

Reducción del 3-Fosfoglicerato

• Las moléculas de 3-fosfoglicerato se reducen a gliceraldehído-3-fosfato (G-3-P).
• Secuencia es esencialmente inversa a la secuencia oxidativa de la glicolisis.
• La coenzima implicada es NADPH.
• Por cada molécula de dióxido de carbono que se fija por la rubisco se generan dos moléculas de 3-fosfoglicerato.

Regeneración de la Ribulosa-1,5-Bifosfato

• Cinco de cada seis moléculas de triosas fosfato se requieren para regenerar tres moléculas de la pentosa aceptora ribulosa-1,5-bifosfato
• Cuatro reacciones fundamentales (catalizadas por aldolasas, transcelotasas, fosfatasas, e isomerasas) transforman dos moléculas de DHAP y tres moléculas de G-3-P en tres moléculas de ribulosa-5-fosfatasa.
• Después de esto, la fosforibuloquinasa (PRK) fosforila cada ribulosa-5-fosfato para formar la ribulosa-1,5-bifosfato.

Ecuación Global del Ciclo de Calvin

• $3CO<em>2 + 9ATP + 6NADPH + 5H</em>2O \rightarrow G-3-P + 9ADP + 6NADP^+ + 8P_i$
• El ciclo de Calvin consume nueve moléculas de ATP y seis moléculas de NADPH por cada carbohidrato de tres carbonos sintetizado

Regulación del Ciclo de Calvin

• En la oscuridad, los fotótrofos deben satisfacer la demanda constante de energía y de carbono mediante la explotación del excedente de carbohidratos.
• Los niveles de los metabolitos claves
  • pH del estroma aumenta de aproximadamente 7,2 a aproximadamente 8,0.
  • Iones de magnesio difunden hacia el estroma, aumentando su concentración
  • Se acumulan altos niveles de ferredoxina reducida, NADPH y ATP.
• Tres enzimas clave que son exclusivas para el ciclo de Calvin (Rubisco, Sedoheptulosa difosfatasa y PRK).
• Este método de regulación de enzimas irreversibles y específicas de una vía es una cuestión común en el metabolismo

Activación Mediada por Tiorredoxina

• Dos moléculas de ferredoxina reducida, generadas por la vía fotorreducción dona electrones a la tiorredoxina, un transportador de electrones intermediario.
• Posteriormente la tiorredoxina activa una enzima diana reduciendo un puente disulfuro a dos grupos sulfhidrilos.

Síntesis de Carbohidratos

• El gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato
• Este grupo de reacciones ocurren tanto en el citosol (c) como en el estroma del cloroplasto (s)
• Las hexosas y hexosas fosfato deben ser sintetizadas en cada compartimiento ya que no pueden atravesar la membrana interna del cloroplasto.
• La glucosa se convierte en carbohidratos de transporte (sacarosa) o de almacenamiento (almidón en plantas, glucógeno en bacterias fotosintéticas).

Biosíntesis de Sacarosa

• La síntesis de sacarosa, como se muestra en la Figura 11.4a, se localiza en el citosol de las células fotosintéticas.
• Las triosas fosfato exportadas desde el estroma del cloroplasto que no se consumen por otras vías metabólicas se convierten en fructosa-6-fosfato y en glucosa-1-fosfato.
• La sacarosa se exporta desde las hojas y proporcionala energía y el carbono reducido a tejidos no fotosintéticos del organismo.

Biosíntesis de Almidón

• La síntesis de almidón en las células vegetales se restringe a plastidios