Fotosíntesis - Fase Clara - Universidad Nacional de … Filminas - Teoria 7... · Hay varios tipos...

Fotosíntesis - Fase Clara

Bioquímica II

Universidad Nacional de Quilmes

Fotosíntesis

CO + H 0 + Luz2 2 (CH O) + O2 n 2

Fase Clara+H O + Luz + NADP 2

+ADP + Pi

O + NADPH2+ + ATP + H

Fase Oscura

CO + NADPH2++ ATP + H O + H 2

+(CH O) + NADP 2 n

+ ADP + Pi

Son dos procesos acoplados

¿Qué es la luz ?

Es una radiación electro-magnética, cuya mínima

cantidad es finita: fotones.Se la puede caracterizar por

su longitud de onda(), por su frecuencia ()

y su polarización. Cada fotón posee una energía

asociada que depende de su frecuencia.

EM

c /

Eh ·

2410

2210

2010

1810

1610

1410

1210

1010

0810

0610

0410

0210

00 10 (1/s)

-1610 -1410 -1210 -1010 -810 -610 -410 -210 010 0210 0410 0610 08 10 (nm)

-rays x-rays UV IR Microondas Radio Radio onda larga

400 500 600 700 (nm)

Nosotros (los humanos)sólo vemos una pequeña parte del espectro electromagnético.

Algunas moléculas son capaces de absorber la energía de los fotones.

h ·

{Pigmento

Electrón en estado basal

Electrón en estado exitado

¿De que formas puedevolver al estado basal?

¿Qué ocurre cuando una molécula absorbe luz?

¿Qué ocurre cuando una molécula absorbe luz?

Disipación térmica Fluorescencia/Fosforescencia

Transferencia por resonancia Fotooxidación

h ·

¿Qué moleculas absorben luz?

h · h ·

h · h ·

A B A B

Phytol

CH3

CH

2

CH C

H2

CH3

N

N N

Mg

CH3

CH

CH2

N

OCH2

C O

CH

2

CH3

CH3

CH3

CH

2

CH3

CH3

CH2

CH

2

O

OC

H2

CH

CH3

CH

2

C

H2

3

Clorofila a

Pigmentos...

Los pigmentos tienen grandes regiones de su molécula en resonancia formando un orbital .

Cuando un fotón excita a unamolécula de un pigmento, unelectrón del orbital da un saltode energía.

El pigmento más importante en la fotosintesis es laclorofila. Hay varios tipos de clorofila, de ellos laclorifilas a y b son las más abundantes.Las bacterias poseen bacterio-clorofila en lugar de clorofila.

Est. de resonancia.

COOHHOOC

C HCH3C H3CH 2C H2CH 3

O

C HCH3

CH

NH

CH

NH

CH

2

C H

NH

ONH

CH2

C H2

C H3

C H2

Ficoeritrobilina

-carotenoC H

3C H

3

C H3

C H3

CH3

CH 3

C H3

CH 3 C H3

C H3

Pigmentos...Otros pigmentos importantes son -carotenoy ficoeritrobilina.

Est. de resonancia. ¿Por qué tantos pigmentos distintos?

400 500 600 700

100%

0%

400 500 600 700

100%

0%

clorofila a

clorofila b-caroteno

ficoeritrobilina

ficocianina

Espectro de absorción del sol en la superficie terrestre

Espectros de absorción

Los pigmentos se encuentran asociados a proteínas de membrana. La aborsión en conjunto de todos los pigmentos resulta en un mejor aprovechamiento de la energía solar.

¿ … donde ocurre la fotosíntesis?

400 500 600 700

100%

0%

clorofila a

clorofila b-caroteno

Eficiencia de la fotosíntesisa diferentes longitudes de onda

Espectros de absorción

¿ … donde ocurre la fotosíntesis?

400 500 600 700

100%

0%

¿Donde ocurre la fotosíntesis?

Estroma

Lumen

Citoplasma

Lumen

Cloroplastos

Membrana externa

Membrana interna

Complejos fotosintéticos

Espacio intermembrana

Membrana del tilacoide

Los cloroplastos son organelas presentes en plantas y algas fotosintéticas. Su tamaño está entre 2 y 10 m.

La membrana del tilacoide es permeable a iones,pero no a protones.

La membrana del tilacoide contiene a los pigmentos fotosintéticos

Cloroplastos

Las dos fases de la fotosítensis se llevan a cabo en el cloroplasto.

La fase clara sobre la membrana del tilacoidey la fase oscura en el estroma.

Estroma

Lumen

Lumen

Grana de tilacoides

Fotosistema I

Fotosistema II

Citocromo b f6

ATPasa

Grana de tilacoides

Lamela de la grana

Lamela del estroma

Estroma

Cloroplastos

Microscopia electrónica

Granas

Lamelas

Granosde almidón

¿Como se produce la fotosintesis?

Complejos antena

Fotosistema

Fotosistemas - antenas - centros reacción.

LHC-ILHC-II

Los pigmentos se encuentran en complejos proteicos:

- Complejos antena Captan energía de la luz yla transmiten por resonancia a los fotosistemasSe llaman LHC en plantas.(por Light Harvesting Complex).

- Fotosistemas

Contienen al centro de reacción. Contienen además otros pigmentos antenas y moléculas transportadoras de electrones.

Pigmentos asociados al Fotosistema


Pigmentos delLHC-I

Pigmentos delCentro de reacción

Membrana

Membrana


LHC-I

LHC-II

Fotosistema

h ·

Estado basal

Estado exitado

Pigmentos antena Centro de reacción

Transferencia de energía

¿Qué es el centro de reacción?

Centro de reacción.

Par Especial

+ -

-

+

Clorofila en elcentro de reacción

Aceptor deelectrones

Dador deelectrones

Pigmento antena

Esta disposición deforma el orbital π, lo que facilita la pérdida de un electrón.

El centro de reacción puede estar

en tres estados:basal, exitado

y oxidado

¿Cómo es la cadena detransporte de electrones?

Cadena de transporte - Esquema Z

Luz

Phe

PQa

PQb

cit b f6

Plastocianina

Luz

P680*

P700

P700* AoA1

Fe-S

Fd

+Fd/NADPOxidoreductasa

Complejogeneradorde O2

= Salto de electrones+½ O 2 H2

H O2

+ +NADP + H

NADPH

Esquema de potenciales estándar de Red (Eº red)

+1

-1

0

P680

Hemirreacciones

= Excitación por un fotón

Muestra la energética del proceso.No muestra temporalidad ni localización.

= Centros de reacción


Phe

PQa

PQb

cit b f6

Plastocianina

P680*

P700

P700* AoA1

Fe-S

Fd


Comp. Gen.de O2

H O2

NADPH

Esquema de potenciales estándar de Red (Eº red)

+1

-1

0

P680

Potenciales de reducción

Hemirreacciones de reducción

Reacción rédox

Phe (Ox) + e- Phe (Red)

pQa (Ox) + e- pQa (Red)

Phe (Red) Phe (Ox) + e-

pQa (Ox) + e- pQa (Red)

E ΔE ΔG

-0,5

-0,4

- -

- -

-0,4 - -

+0,5 - -

Phe(Red) + pQa(Ox) Phe(Ox) + pQa(Red) +0,1 < 0

Espontáneo


Luz

P680*

+1

-1

0

P680

Hemirreacciones de reducción

P680(Ox) + e- P680* (Red)

P680(Ox) + e- P680° (Red)

E ΔE

-1

+1

-

-

Como suceden

P680°(Red) + h.v P680* (Red)

P680*(Red) P680 (Ox) + e-

P680(Ox) + e- P680° (Red)

1

2

3


Luz

P680*

+1

-1

0

P680

Reacciones de rédox

P680(Ox) + e-

2

3

P680*(Red)

Aceptor (Ox) + e-

P680 (Ox) + e-

Aceptor (Red)

p680*(Red) + Ac.(Ox) P680(Ox) + Ac.(Red)

Dador (Red)

P680° (Red)

Dador (Ox) + e-

p680(Ox) + Dador(Red) P680º(Red) + Dador(Ox)


Luz

Phe

PQa

PQb

cit b f6

Plastocianina

Luz

P680*

P700

P700* AoA1

Fe-S

Fd



= salto de un electrón

+½ O 2 H2

H O2

+ +NADP + H

NADPH

Tabla de potenciales estandar de Red (Eº red)

+1

-1

0

P680

Cadena de transporte - Esquema de membrana

P680

Fotosistema II

Estroma

Lúmen

cit b f6 Fotosistema I

Fd

+ Fd/NADP OR.

+ +NADP + H NADPH

H O2

+½ O +2H2

Plastocianina

Phe

PQa

PQH2

Ciclo Q

+2 H

+2 H

+2 x 2 H

Fe-S

PQb

Fe

Ao

A1

Fe-S

ATPasa

+n·H

ADP + Pi

ATP

+n·H

P700


P680

Fotosistema II

Estroma

Lúmen


Fd

+ Fd/NADP OR.

+ +NADP + H NADPH

H O2

+½ O +2H2

Plastocianina

Phe

PQa

PQH2

Ciclo Q

+2 H

+2 H

+2 x 2 H

Fe-S

PQb

Fe

Ao

A1

Fe-S

ATPasa

+3H

ADP + Pi

ATP

+3H

P700

+H

-e

+H

-e

+H

-e

+H

-e

Complejo Generador de Oxígeno

El complejo une dos moléculas de agua. +

El P680 quita cuatro electrones de a uno por vez a estas dos moléculas de agua.

Los iones Mn alteran su estados de oxidación entre las distintas etapas.

En la última etapa, se libera una molécula de oxígeno y se capturan otras dos moléculas de agua.

S0

S1

S2

S4

S3

h ·

+ -H + e

h ·

+ -H + eh ·

-e

h ·

-e

O2

2H O2

+p680

p680

+p680

p680

p680+p680

p680

+p680

H O2

H O2 H O2

HO·

H O2 2 HO2 O2

H O2

H O2 OO

O

O

OMn

Mn

Mn

Mn

H O2

H O2

Ca

S0 S1 S2 S3 S4


Estroma

Lúmen


Fd

+ Fd/NADP OR.

+ +NADP + H NADPH

H O2

+½ O +2H2

Plastocianina

Ciclo Q

+2 H

+2 x 2 H

Fe-SFe

Ao

A1

Fe-S

ATPasa

+3H

ADP + Pi

ATP

+3H

P700P680

Fotosistema II

Phe

PQa

PQH2

+2 H

PQb

+P680 es el oxidante más fuerte de la cadena de transporte.

Fotosistema II

Fe

Feofitina

Par especial de clorofilas del centro de reacción.

Centro de Mn delcomplejo

generador de O2

1

Clorofila (no se reduce)2

3

Plastoquinona A4

Plastoquinona B5

Tirosina Z 6

7

H O2

Nuestra visión de la fotosíntesis se iniciacon la pérdida de un electrón del par especial de clorofilas.

Globalmente, el dadorde electrones es el H O.2

P680

Phe

PQa

PQH2

+2 H

PQb

Estroma

Lúmen


P680

Fotosistema II

Estroma

Lúmen


Fd

+ Fd/NADP OR.

+ +NADP + H NADPH

H O2

+½ O +2H2

Plastocianina

Phe

PQa

PQH2

Ciclo Q

+2 H

+2 H

+2 x 2 H

Fe-S

PQb

Fe

Ao

A1

Fe-S

ATPasa

+3H

ADP + Pi

ATP

+3H

P700

Citocromo b f - Ciclo Q - Plastocianina6

La plastoquinona reducida generada en el PSII, entra en un ciclo Q. Idéntico al mitocondrial, y con la misma estequiometría de translocación de protones.

Los electrones que arriban al grupo hemo del citrocromo f son cedidos a la plastocianina.

Citocr. F

Rieske

Quinona Red.Quinona Red.

Quinona Ox.

Hemiquinona

Hemo

Hemo

HemoHemo

1

2

3

4

5

+2H

Hemo

Hemo

Lumen

Estroma

Plastocianina

Citocr. b6

Plastocianina

Ciclo Q

+2 H

+2 x 2 H

Fe-SFe

Estroma

Lumen

Citocromo b f - Ciclo Q - Plastocianina6

Citocr. F

Citocr. b6

Rieske

Quinona Red.Quinona Red.

+2H + Hemiquinona

Quinona Red.

Hemo

Hemo

HemoHemo

6

7

8

9

10

+2H

Hemo

Hemo

Lumen

Estroma

Plastocianina

Plastocianina

Ciclo Q

+2 H

+2 x 2 H

Fe-SFe

Estroma

Lumen

Lumen


P680

Fotosistema II

Estroma

Lúmen


Fd

+ Fd/NADP OR.

+ +NADP + H NADPH

H O2

+½ O +2H2

Plastocianina

Phe

PQa

PQH2

Ciclo Q

+2 H

+2 H

+2 x 2 H

Fe-S

PQb

Fe

Ao

A1

Fe-S

ATPasa

+3H

ADP + Pi

ATP

+3H

P700

Par especial de clorofilas del centro de reacción.

Clorofila (A )02

Quinona (A )13

Centros dehierro azufre4

1

Fotosistema I

Los electrones que pasan por los centros de hierro-azufre son cedidos finalmente a la ferredoxina.

Esta proteína está debilmenteasociada a la membrana y sufre reacciones redox de unelectrón.

Ferredoxina5

Fd

Ao

A1

Fe-S

P700

Estroma

Lumen

Cadena de transporte - Ferredoxina/NADP oxidoreductasa

P680

Fotosistema II

Estroma

Lúmen


Fd

+ Fd/NADP OR.

+ +NADP + H NADPH

H O2

+½ O +2H2

Plastocianina

Phe

PQa

PQH2

Ciclo Q

+2 H

+2 H

+2 x 2 H

Fe-S

PQb

Fe

Ao

A1

Fe-S

ATPasa

+3H

ADP + Pi

ATP

+3H

P700

Cadena de transporte - Ferredoxina/NADP oxidoreductasa

El FAD se reduce a FADH2, mediante dos eventos de transferencia de un electrón desde la ferredoxina

Ferredoxina

FAD/FADH2

NADP+/NADPH

El FADH2 reduce al NADP+ en un evento de transferencia de dos electrones

Estroma

Fd

+ +NADP + H

NADPH

Estequiometría De La Fotosíntesis

P680

Fotosistema II cit b f6 Fotosistema I

Fd

+ +NADP + H

NADPH

H O2

+½ O +2H2

PC

Phe

PQa

PQH2

Ciclo Q

+2 H+

2 H

+2 x 2 H

Fe-S

PQb

Fe

Ao

A1

Fe-S

P700

PQH2

+ Fd/NADP OR.

+2 H

+2 H

+2 H

+4 H

+ H

+0 H

+0 H

+0 H

Protones tomados del estroma

Proteones cedidos as lúmen del tilacoide

Dos fotonesDos fotones

Cadena de transporte - ATPasa

P680

Fotosistema II

Estroma

Lúmen


Fd

+ Fd/NADP OR.

+ +NADP + H NADPH

H O2

+½ O +2H2

Plastocianina

Phe

PQa

PQH2

Ciclo Q

+2 H

+2 H

+2 x 2 H

Fe-S

PQb

Fe

Ao

A1

Fe-S

ATPasa

+n·H

ADP + Pi

ATP

+n·H

P700

ATPasa

+H

ADP + Pi

ATP

Cadena de transporte - ATPasa

12 C

Subunidad C

+H

+ H Lumen

+ H Estroma

La ATPasa da un giro completo cuando se ha translocado un

protón por cada subunidad C

Por cada giro completo se obtienen 3 moléculas de ATP

+ +Se requieren 12H / 3 ATP = 4H / ATP

Estequiometría general+

2H O + 8 h.v + 3ADP + 3Pi + 2NADP2 O + 3 ATP + 2NADPH2

Luz

Phe

PQa

PQb

cit b f6

Plastocianina

Luz

P680*

P700

P700* AoA1

Fe-S

Fd




+½ O 2 H2

H O2

+ +NADP + H

NADPH


+1

-1

0

P680

Fotosíntesis lineal.

Phe

PQa

PQb

cit b f6

Plastocianina

Luz

P680*

P700

P700* AoA1

Fe-S

Fd




+1

-1

0

P680

Fotosíntesis cíclica.

No se genera poder reductor, pero si energía.

En la fotosíntesis cíclica los electrones que llegan a la ferredoxina son enviadosatras hacía las quinonas que entran a citocromo b f.6

X

¿Cómo es la estequiometría de translocación de protones?

FQR

Fotosíntesis en otras bacterias

Luz

Phe

PQa

PQb

cit bc1

P870*

Bacterias púrpuras

+0,5

-1

0

P870

Cit c2

-0,5

Las bacterias púrpuras poseen un sistema muy similar al fotosistema II.

Fotosíntesis en otras bacterias

Luz

P840

P840*

Q

Fd



+ +NADP + H

NADPH

cit bc1

Cit c

H S2

2-S, SO4

+0,5

-1

0

-0,5

Bacterias verdes azufradas

Las bacterias verdes poseen un sistema muy similar al fotosistema I.

Q

El proceso fotosintético en arqueas es completamente diferente.Utiliza una única proteína: bacteriorodopsina, que contiene unido retinal como cofactor. El retinal sufre una isomerización de trans a cis por efecto de la luz.Al retornar al estado trans inicial, se bombean protones.

... y en arqueas.

Retinal

Lisina

Aspartico

Arginina

Trans

Basal

Cis

Excitado

Cloroplastos Mitocondria

Cloruro

Cloruro

Estroma

Lumen

Matriz

Espacio intermembrana

ΔpH

Δψ

ΔpH

Δψ

(20%)

(80%)

(~3 Un)

(~0%)

Los cloroplastos son permeables a algunosiones

LHC-II

h ·

Grana de tilacoides

Lumen

Lumen

Fotosistema I

Fotosistema II

Citocromo b f6

ATPasa

Asociado a la lamela

Asociado a la grana

Distribución uniforme

Distribución uniforme

Fotosistema I

LHC-I Fotosistema I

Los fotosistemas están separados

PSIPSII

Migración

Alta [QH2]/[Q]

ATPADP

LHC-IILHC-II

PP

P

Cambio de estado

LHC-II LHC-II

P

Apilado(grana)

No apilado(lamela)

LHC-II migra entre PSI y PSII

H O2Pi

Random facts...

La crisis del oxígeno.

Cianobacterias

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