BIOLOGA CELULAR Y MOLECULAR Captulo 1 6 Fotosntesis

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 1. 6. Fotosíntesis Introducción yalelestudio cloroplasto de la biología celular y molecular Capítulo 6 Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Fotosíntesis y el cloroplasto 6. 1 6. 2 6. 3 6. 4 6. 5 6. 6 Estructura y función del cloroplasto Una revisión del metabolismo fotosintético La absorción de luz Unidades fotosintéticas y centros de reacción Fotofosforilación Fijación del dióxido de carbono y síntesis de carbohidratos

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Figura 6. 1 Bacterias fotosintéticas verdes de azufre se encuentran como un anillo de células periféricas que mantienen una relación simbiótica con una sola bacteria anaerobia heterótrofa en el centro de la “colonia”. La bacteria heterótrofa recibe materiales orgánicos producidos por los simbiontes fotosintéticos. Las vesículas fotosintéticas que contienen la maquinaria para capturar la luz son visibles en las bacterias verdes del azufre. (Tomada de: Tom Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Fenchel, Science 296: 1070, 2002, Micrografía Electrónica de Ken Clarke, Ceh-Windermere, U. K. © 2002, Reimpresa con autorización de AAAS [American Association for the Advancement of Science]. )

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Figura 6. 2 Organización funcional de una hoja. El corte de la hoja muestra varias capas de células que contienen cloroplastos distribuidos en el citoplasma. Estos cloroplastos realizan la fotosíntesis y proporcionan así materias primas y energía química a toda la planta.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 3 Estructura interna de un cloroplasto. (a) Micrografía electrónica de transmisión de un solo cloroplasto. La membrana interna se dispone en pilas de tilacoides con forma de disco que están separados de la doble membrana externa que forma la envoltura. (b) Esquema de un cloroplasto que muestra la doble membrana externa y las membranas tilacoides. (a: Biology Pics/Photo Researchers, Inc. )

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 4 Membranas tilacoides. Micrografía electrónica de un corte a través de una porción de un cloroplasto que muestra los granos tilacoidales apilados, conectados entre sí por estroma tilacoidales no apilado (o láminas estromales). Las esferas oscuras son gránulos de lípidos teñidos con osmio. (Dr. Kenneth R. Miller/Photo Researchers, Inc. )

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 5 Una revisión de la energética de la fotosíntesis y la respiración aeróbica.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 6 Estructura de la clorofila a. La molécula consiste en un anillo de porfirina (que a su vez se forma con cuatro anillos pirrólicos más pequeños) con un ion magnesio en el centro y una larga cola de hidrocarburo. La sombra verde alrededor del borde de la porfirina indica la deslocalización de electrones que forman una nube. La estructura de la porfirina con magnesio de la clorofila puede compararse con la porfirina con hierro del hemo mostrado en la figura 5. 12. La clorofila b y la bacterioclorofila a contienen ciertas sustituciones, como se indica. Por ejemplo, el grupo —CH 3 del anillo II se sustituye por un grupo — CHO en la clorofila b. La clorofila a se encuentra en todos los organismos fotosintéticos productores de oxígeno, pero no en las diversas bacterias del azufre. Además de la clorofila a, la clorofila b está presente en todas las plantas superiores y las algas verdes. Otras que no se muestran son la clorofila c, presente en las algas cafés, diatomeas y ciertos protozoarios, así como la clorofila d, que se encuentra en las algas rojas. La bacterioclorofila sólo se halla en las bacterias verdes y púrpura, microorganismos que no producen O 2 durante la fotosíntesis.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 7 Espectro de absorción para varios pigmentos fotosintéticos de las plantas superiores. El fondo muestra los colores que el ser humano percibe para las longitudes de onda del espectro visible. Las clorofilas absorben con más intensidad en las regiones violetaazul y roja del espectro, en tanto los carotenoides (p. ej. , caroteno β) también absorben en la región verde. Las algas rojas y las cianobacterias contienen pigmentos adicionales (ficobilinas) que absorben en las bandas intermedias del espectro.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 8 Espectro de acción para la fotosíntesis. El espectro de acción (línea roja) indica la eficiencia relativa con la que la luz de distintas longitudes de onda puede promover la fotosíntesis en las hojas de una planta. Puede generarse un espectro de acción si se mide el O 2 producido por las hojas después de la exposición a varias longitudes de onda. Las líneas negras indican los espectros de absorción de cada pigmento fotosintético principal. La línea verde muestra el espectro de absorción combinado de todos los pigmentos.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 9 Transferencia de la energía de excitación. La energía se transfiere al azar por una red de moléculas de pigmento que absorben luz con longitud de onda cada vez mayor hasta que la energía llega a una clorofila en el centro de reacción, la cual transfiere un electrón en estado de excitación a un receptor primario, como se describe más adelante en este capítulo.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 10 Una revisión del flujo de electrones durante las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis. Los fenómenos que se muestran en este esquema se describen con detalle en las páginas siguientes. El contenido energético de los electrones se presenta en voltios. Para convertir estos valores en calorías, se multiplican por la constante de Faraday, 23. 06 kcal/V. Por ejemplo, una diferencia de 2. 0 V corresponde a una diferencia energética de 46 kcal/mol de electrones. Esto puede compararse con la energía de la luz roja (680 nm), que contiene alrededor de 42 kcal/mol de fotones.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 11 Organización funcional del fotosistema II. (a) Modelo simplificado del enorme complejo proteína-pigmento que cataliza la oxidación del agua impulsada por luz y la reducción de la plastoquinona. Las flechas amarillas indican el trayecto que los electrones siguen en su paso por PSII. Los fenómenos inician con la absorción de luz por un pigmento antena en el complejo recolector de luz externo (LHCII). La energía se transfiere del LHCII por un complejo interno pigmento-proteína de la antena a una clorofila a del centro de reacción P 680, que es una de las cuatro moléculas de clorofila muy próximas (el dímero P 680 y dos moléculas accesorias de clorofila a). La absorción de esta energía en P 680 excita un electrón, que se transfiere a la feofitina (Feo) (fase 1), el receptor primario de electrones del PSII. (La feofitina es una molécula de clorofila que carece del ion Mg 2+. ) El electrón pasa después a la plastoquinona PQ A (fase 2) y luego por un Fe 2+ no hemo a PQ B (fase 3) para formar un radical libre PQ B 2+ de carga negativa. La absorción de un segundo fotón envía un segundo electrón por la misma vía, lo que convierte el receptor en PQ B 2 - (fase 4). Entonces dos protones entran desde el estroma (fase 5) y generan PQH 2, que se libera a la bicapa lipídica y se sustituye con una nueva molécula oxidada de PQ B (fase 6). Mientras estos fenómenos ocurren, los electrones se mueven de H 2 O mediante Tyrz al pigmento del centro de reacción con carga positiva (fases B y A). Por lo tanto, de manera global, PSII cataliza la transferencia de electrones del agua a la plastoquinona. La oxidación de dos moléculas de H 2 O para liberar una molécula de O 2 genera dos moléculas de PQH 2. Como la oxidación del agua libera protones hacia la luz tilacoidal y la reducción de PQ B 2 - retira protones del estroma, la operación de PSII contribuye de manera muy importante al establecimiento del gradiente de H +. La figura muestra un monómero de un complejo dimérico del fotosistema II.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 11 Organización funcional del fotosistema II. (Continuación) )b) El complejo evolucionante de oxígeno conserva un cúmulo de Mn 4 Ca. O 5 cuya estructura ha sido identificada hasta una resolución de 1. 9 Å por medio de cristalografía radiográfica. Están dispuestos, como parte de un cúmulo similar a un cubo asimétrico, tres átomos de manganeso (#1 -3), un átomo de calcio y cuatro átomos de oxígeno (#1, 2, 3, 5) con un puente a un cuarto átomo de manganeso y a un quinto átomo de oxígeno en sitios cercanos. Dos moléculas de agua están unidas al calcio y otras dos más lo están al manganeso 4. Es posible que la reacción entre los átomos de oxígeno de dos de las moléculas de agua unidas, culmine en la formación de un enlace O ═ O (b: tomada de Yasufumi Umena, et al. , Nature 473: 57, 2011; por cortesía de Nobuo Kamiya © 2011, reimpresa con autorización de Macmillan Publishers Limited).

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Figura 6. 12 Plastoquinona. La aceptación de dos electrones y dos protones reduce PQ (plastoquinona) a PQH 2 (plastoquinol). Los intermediarios son similares a los que se muestran en la figura 5. 12 c para la ubiquinona de la mitocondria.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 14 Transporte de electrones entre PSII y PSI. La flecha amarilla indica el flujo de un par de electrones. El citocromo b 6 f opera en forma muy similar al citocromo bc 1 en la mitocondria y participa en un ciclo Q (no explicado en el texto) que traslada cuatro protones por cada par de electrones que se mueve por el complejo. El PQH 2 y la plastocianina (PC) son transportadores de electrones entre fotosistemas muy separados.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 15 Organización funcional del fotosistema I. La trayectoria seguida por los electrones se indica mediante una flecha amarilla. Los sucesos comienzan con la absorción de luz por un pigmento antena y con la transferencia de energía a una clorofila P 700 en el centro de reacción del PSI. La absorción de energía en P 700 excita un electrón que se transfiere (fase 1) a A 0, el receptor primario de electrones de este fotosistema. El electrón pasa después a A 1 (fase 2) y luego a un centro de hierro-azufre llamado FX (fase 3). De FX, el electrón se transfiere por dos centros más de hierro-azufre (FA y FB), que se unen mediante una proteína periférica al lado estromal de la membrana. Al final el electrón se transfiere a la ferredoxina, una pequeña proteína con hierro-azufre (fase 5) externa al complejo PSI. Cuando dos moléculas diferentes de ferredoxina aceptaron un electrón, actúan juntas para reducir una molécula de NADP+ a NADPH (fase 6). El pigmento del centro de reacción deficiente en electrones (P 700+) se reduce con un electrón donado por la plastocianina (fase A).

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 16 Resumen de reacciones fotodependientes. (a) Estructuras tridimensionales de las proteínas de la membrana tilacoide que realizan las reacciones fotodependientes de la fotosíntesis. De los cuatro grandes complejos proteínicos, PSII y citocromo b 6ƒ aparecen en la membrana en forma de dímeros, en tanto que lo hacen en forma de monómeros PSI y la ATP sintasa (que se muestra a mayor detalle en la figura 5. 24).

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 16 Resumen de reacciones fotodependientes. (Continua) (b) Resumen del flujo de electrones que va de H 2 O a NADPH a través de tres complejos transmembrana. La figura presente indica el número estimado de protones translocados a través de la membrana como consecuencia de la oxidación de dos moléculas de agua, con lo que se generan dos pares de electrones. También se muestra la ATP sintasa de las membranas tilacoides (consúltese la sección 5. 5 para obtener datos de la enzima que sintetiza ATP). Se necesitan, en promedio, cuatro protones para la síntesis de cada molécula de ATP (pág. 205). (a: con autorización de Nature Revs. Mol. Cell Biol. 5: 973, 2004, fig. 1 B: imagen obtenida por cortesía de Nathan Nelson, © 2004, Macmillan Publishers Ltd. )

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 17 Esquema simplificado de la fotofosforilación cíclica. La absorción de luz por PSI excita un electrón, el cual se transfiere a la ferredoxina (fase 1) y al citocromo b 6 f (fase 2), a la plastocianina (fase 3) y de regreso al P 700+ (fase 4). En el proceso los protones se trasladan por el citocromo b 6 f para desarrollar un gradiente que se usa para sintetizar ATP (fase 5). No se muestra otra vía cíclica para el transporte de electrones que implica movimiento de electrones de PSI a través de NADPH hasta el citocromo b 6 f.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 18 Cromatografía que muestra los resultados de un experimento en el que células de algas se incubaron durante 5 s en [14 C]O 2 antes de la inmersión en alcohol. Una mancha, que corresponde a 3 -fosfoglicerato (PGA marcado), contiene la mayor parte de la radiactividad. (Cortesía de James Bassham y Melvin Calvin. )

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 19 Conversión de CO 2 en carbohidrato. (a) Reacción catalizada por la ribulosa bisfosfato carboxilasa oxigenasa (Rubisco) en la que se fija el CO 2 mediante enlace con la Ru. BP. El producto se divide rápidamente en dos moléculas de 3 -fosfoglicerato (PGA).

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 19 Conversión de CO 2 en carbohidrato. (Continuación) (b) Versión abreviada del ciclo de Calvin que muestra el destino de seis moléculas de CO 2 que se fijan por combinación con seis moléculas de Ru. BP. (Se omitieron muchas reacciones. ) La fijación de CO 2 se indica en la fase 1. En la fase 2, las 12 moléculas de PGA se fosforilan mediante hidrólisis de ATP para formar 12 moléculas de 1, 3 difosfoglicerato (BPG), que se reducen en la fase 3 por los electrones que aporta NADPH para formar 12 moléculas de gliceraldehído 3 -fosfato (GAP). En este punto, dos de las moléculas de GAP salen (fase 4) para emplearse en la síntesis de sacarosa en el citosol, que puede considerarse el producto de las reacciones independientes de la luz. Las otras 10 moléculas se convierten en seis moléculas de Ru. BP (fase 5), que actúan como receptor para seis moléculas más de CO 2. La regeneración de seis moléculas de Ru. BP requiere la hidrólisis de seis moléculas de ATP. El NADPH y el ATP que se utilizan en el ciclo de Calvin representan los dos productos de alta energía de las reacciones dependientes de la luz.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Figura 6. 20 Una revisión de las diversas etapas de la fotosíntesis.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 21 Control redox del ciclo de Calvin. En la luz, la ferredoxina se reduce y una fracción de estos electrones se transfiere a la pequeña proteína tiorredoxina, que reduce los grupos disulfuro de ciertas enzimas del ciclo de Calvin y las mantiene en estado activo. En la oscuridad, el flujo de electrones hacia la tiorredoxina cesa, los grupos sulfhidrilo de las enzimas reguladas cambian al estado disulfuro y las enzimas se desactivan.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 22 Reacciones de la fotorrespiración. La enzima Rubisco puede catalizar dos reacciones diferentes con la Ru. BP como sustrato (mostrado en estado enediol dentro del plano, fig. 6. 19 a). Si la Ru. BP reacciona con O 2 (fase 1 b), la reacción produce un intermediario de oxigenasa (fase 2 b) que se degrada en 3 -PGA y 2 -fosfoglicolato (fase 3 b). Las reacciones subsecuentes del fosfoglicolato se muestran en la figura 6. 23. El resultado final de estas reacciones es la liberación de CO 2, una molécula en la que la célula había gastado antes para fijarla. En cambio, si la Ru. BP reacciona con CO 2 (fase 1 a), la reacción produce un intermediario de carboxilasa (fase 2 a) que se degrada en dos moléculas de PGA (fase 3 a), que continúa por el ciclo de Calvin.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 23 Base celular de la fotorrespiración. Micrografía electrónica de una porción de una célula mesófila de una hoja de tabaco que muestra un peroxisoma (identificado por su centro cristalino) presionado contra un par de cloroplastos y cerca de una mitocondria. Las reacciones de la fotorrespiración que ocurren en cada uno de estos organelos se describen en el texto y se muestran sobrepuestas sobre los organelos en los que tienen lugar. Esta serie de reacciones se conoce como ciclo C 2. Los últimos pasos del ciclo, la conversión de serina en glicerato en el peroxisoma y luego en 3 PGA en el cloroplasto, no se muestran. (Con autorización de Sue Ellen Frederick y Eldon H. Newcomb, journal of cell biology, 43: 343 -353, fig. 6, 1969. © Rockefeller university press. )

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Todos los derechos reservados. Mc. Graw-Hill Interamericana Editores Capítulo 6. Fotosíntesis y el cloroplasto Figura 6. 24 Estructura y función en las plantas C 4. Micrografía electrónica de un corte transversal de una hoja de planta C 4 que muestra la relación espacial entre las células mesófilas y las de la vaina del haz. Sobre la micrografía se superpusieron las reacciones de la fijación de CO 2 que ocurren en cada tipo de célula. En la fase 1, el CO 2 se une con el fosfoenol piruvato mediante la enzima PEP carboxilasa en una célula mesófila situada cerca del exterior de la hoja. El malato de cuatro carbonos que se forma por esta reacción se traslada a una célula de la vaina del haz que se localiza en un punto más central (fase 2), donde el CO 2 se libera. El CO 2 se concentra en la célula de la vaina del haz, lo que favorece la fijación de CO 2 por Rubisco para formar 3 -PGA (fase 3), el cual circula por el ciclo de Calvin. El piruvato que se forma cuando el CO 2 se libera se regresa a la célula mesófila (fase 4), donde se convierte en fosfoenol piruvato. Aunque el proceso requiere la hidrólisis de ATP (fase 5), el alto índice CO 2/O 2 en la célula de la vaina del haz minimiza la velocidad de la fotorrespiración. (Cortesía de S. Craig, Csiro Plant Industry. )