Centro de reacción fotosintética

El centro de reacción fotosintético bacteriano ha sido un modelo importante para comprender la estructura y la química del proceso biológico de captura de energía lumínica. En la década de 1960, Roderick Clayton fue el primero en purificar el complejo del centro de reacción de bacterias púrpuras. Sin embargo, la primera estructura cristalina (imagen superior derecha) fue determinada en 1984 por Hartmut Michel , Johann Deisenhofer y Robert Huber ^{[ 4 ],} por lo que compartieron el Premio Nobel en 1988. ^{[ 5 ]} Esto también fue significativo por ser la primera estructura cristalina tridimensional de cualquier complejo de proteína de membrana.

Se descubrió que cuatro subunidades diferentes son importantes para la función del centro de reacción fotosintético. Las subunidades L y M , mostradas en azul y púrpura en la imagen de la estructura, atraviesan la bicapa lipídica de la membrana plasmática. Son estructuralmente similares entre sí, ya que ambas poseen 5 hélices alfa transmembrana . ^{[ 6 ]} Cuatro moléculas de bacterioclorofila b (BChl-b), dos moléculas de bacteriofeofitina b (BPh), dos quinonas (Q _A y Q _B ) y un ion ferroso están asociados a las subunidades L y M. La subunidad H, mostrada en dorado, se encuentra en el lado citoplasmático de la membrana plasmática. Una subunidad de citocromo, no mostrada aquí, contiene cuatro hemo de tipo c y se localiza en la superficie periplásmica (externa) de la membrana. Esta última subunidad no es un motivo estructural general en las bacterias fotosintéticas. Las subunidades L y M se unen a los cofactores funcionales y de interacción con la luz, mostrados aquí en verde.

Los centros de reacción de diferentes especies bacterianas pueden contener cromóforos de bacterioclorofila y bacteriofeofitina ligeramente modificados como cofactores funcionales. Estas modificaciones provocan cambios en el color de la luz que se puede absorber. El centro de reacción contiene dos pigmentos que sirven para captar y transferir la energía de la absorción de fotones: BChl y Bph. La BChl se asemeja a la molécula de clorofila que se encuentra en las plantas verdes, pero, debido a pequeñas diferencias estructurales, su longitud de onda de máxima absorción se desplaza hacia el infrarrojo , con longitudes de onda de hasta 1000  nm. La Bph tiene la misma estructura que la BChl, pero el ion magnesio central se sustituye por dos protones. Esta modificación provoca tanto un desplazamiento del máximo de absorbancia como una disminución del potencial redox.

El proceso comienza cuando la luz es absorbida por dos moléculas de BChl que se encuentran cerca del lado periplásmico de la membrana. Este par de moléculas de clorofila, a menudo llamado el "par especial", absorbe fotones a 870  nm o 960  nm, dependiendo de la especie y, por lo tanto, se denomina P870 (para Rhodobacter sphaeroides ) o P960 (para Blastochloris viridis ), donde P significa "pigmento". Una vez que P absorbe un fotón, expulsa un electrón, que se transfiere a través de otra molécula de Bchl al BPh en la subunidad L. Esta separación de carga inicial produce una carga positiva en P y una carga negativa en el BPh. Este proceso tiene lugar en 10 picosegundos (10⁻¹¹ ^segundos ). ^{[ 1 ]}

Las cargas en P ⁺ y BPh− podrían sufrir recombinación de carga en este estado, lo que desperdiciaría energía y la convertiría en calor . Varios factores de la estructura ^del centro de reacción sirven para evitar esto. Primero, la transferencia de un electrón de BPh− ^a P960 ⁺ es relativamente lenta en comparación con otras dos reacciones redox en el centro de reacción. Las reacciones más rápidas implican la transferencia de un electrón de BPh− ⁽ BPh− ^se oxida a BPh) al aceptor de electrones quinona (QA ₎ , y la transferencia de un electrón a P960 ⁺ (P960 ⁺ se reduce a P960) desde un hemo en la subunidad del citocromo por encima del centro de reacción.

El electrón de alta energía que reside en la molécula de quinona fuertemente unida Q _A se transfiere a una molécula de quinona intercambiable Q _B . Esta molécula está débilmente asociada a la proteína y es relativamente fácil de separar. Se requieren dos electrones para reducir completamente Q _B a QH ₂ , captando dos protones del citoplasma en el proceso. La quinona reducida QH ₂ se difunde a través de la membrana hacia otro complejo proteico ( complejo citocromo bc ₁ ) donde se oxida. En este proceso, el poder reductor de QH ₂ se utiliza para bombear protones a través de la membrana hacia el espacio periplásmico. Los electrones del complejo citocromo bc ₁ se transfieren luego a través de un intermediario soluble de citocromo c, llamado citocromo c ₂ , en el periplasma hacia la subunidad del citocromo.

En 1772, el químico Joseph Priestley realizó una serie de experimentos relacionados con los gases implicados en la respiración y la combustión. En su primer experimento, encendió una vela y la colocó bajo un frasco invertido. Tras un breve lapso, la vela se consumió. Realizó un experimento similar con un ratón en el espacio confinado de la vela encendida. Descubrió que el ratón moría poco después de que la vela se apagara. Sin embargo, pudo revitalizar el aire viciado colocando plantas verdes en la zona y exponiéndolas a la luz. Las observaciones de Priestley fueron algunos de los primeros experimentos que demostraron la actividad de un centro de reacción fotosintética.

En 1779, Jan Ingenhousz realizó más de 500 experimentos a lo largo de cuatro meses para intentar comprender qué sucedía realmente. Describió sus descubrimientos en un libro titulado Experimentos con vegetales . Ingenhousz tomó plantas verdes y las sumergió en agua dentro de un tanque transparente. Observó que muchas burbujas subían de la superficie de las hojas cuando las plantas se exponían a la luz. Ingenhousz recogió el gas que desprendían las plantas y realizó varias pruebas para intentar determinar de qué gas se trataba. La prueba que finalmente reveló la identidad del gas consistió en colocar una vela humeante en la muestra de gas y volver a encenderla. Esta prueba demostró que era oxígeno, o, como lo había llamado Joseph Priestley, « aire desflogistizado» .

En 1932, Robert Emerson y su estudiante, William A. Arnold , utilizaron una técnica de destello repetitivo para medir con precisión pequeñas cantidades de oxígeno liberadas por la clorofila en el alga Chlorella . Su experimento demostró la existencia de una unidad fotosintética. Posteriormente, Gaffron y Wohl interpretaron el experimento y se percataron de que la luz absorbida por la unidad fotosintética se transfería. ^{[ 7 ]} Esta reacción ocurre en el centro de reacción del Fotosistema II y tiene lugar en cianobacterias, algas y plantas verdes. ^{[ 8 ]}

El fotosistema II es el que genera los dos electrones que (tras pasar por el PSI) reducirán finalmente el NADP ⁺ en la ferredoxina-NADP-reductasa. El fotosistema II se encuentra en las membranas tilacoides dentro de los cloroplastos, el lugar donde se produce la fotosíntesis en las plantas verdes. ^{[ 9 ]} La estructura del fotosistema II es notablemente similar al centro de reacción bacteriano, y se postula que comparten un ancestro común.

El núcleo del Fotosistema II consta de dos subunidades denominadas D1 y D2 . Estas dos subunidades son similares a las subunidades L y M presentes en el centro de reacción bacteriano. El Fotosistema II se diferencia del centro de reacción bacteriano en que posee muchas subunidades adicionales que se unen a clorofilas adicionales para aumentar su eficiencia. La reacción global catalizada por el Fotosistema II es:

2Q + 2H ₂ O + hν → O ₂ + 2QH ₂

Q representa la forma oxidada de la plastoquinona, mientras que QH₂ _representa su forma reducida. Este proceso de reducción de la quinona es comparable al que tiene lugar en el centro de reacción bacteriano. El fotosistema II obtiene electrones oxidando el agua en un proceso llamado fotólisis . El oxígeno molecular es un subproducto de este proceso, y es esta reacción la que suministra oxígeno a la atmósfera . El hecho de que el oxígeno de las plantas verdes se origine a partir del agua fue deducido por primera vez por el bioquímico estadounidense de origen canadiense Martin David Kamen . Utilizó un isótopo estable de oxígeno, ^¹⁸O , para rastrear la ruta del oxígeno desde el agua hasta el oxígeno molecular gaseoso. Esta reacción es catalizada por un centro reactivo en el fotosistema II que contiene cuatro iones de manganeso .

La reacción comienza con la excitación de un par de moléculas de clorofila similares a las del centro de reacción bacteriano. Debido a la presencia de clorofila a , en lugar de bacterioclorofila , el Fotosistema II absorbe luz a una longitud de onda más corta. El par de moléculas de clorofila en el centro de reacción se denomina a menudo P680 . ^{[ 1 ]} Cuando el fotón ha sido absorbido, el electrón de alta energía resultante se transfiere a una molécula de feofitina cercana. Esta se encuentra encima y a la derecha del par en el diagrama y está coloreada de gris. El electrón viaja desde la molécula de feofitina a través de dos moléculas de plastoquinona, la primera fuertemente unida y la segunda débilmente unida. La molécula fuertemente unida se muestra encima de la molécula de feofitina y está coloreada de rojo. La molécula débilmente unida está a la izquierda de esta y también está coloreada de rojo. Este flujo de electrones es similar al del centro de reacción bacteriano. Se requieren dos electrones para reducir completamente la molécula de plastoquinona débilmente unida a QH ₂ , así como la captación de dos protones.

La diferencia entre el Fotosistema II y el centro de reacción bacteriano radica en la fuente del electrón que neutraliza el par de moléculas de clorofila a . En el centro de reacción bacteriano, el electrón se obtiene de un grupo hemo reducido en una subunidad del citocromo o de una proteína citocromo c soluble en agua.

Cada vez que el P680 absorbe un fotón, cede un electrón a la feofitina, adquiriendo una carga positiva. Tras esta separación de carga fotoinducida , el P680 ^{+ es un} oxidante muy potente de alta energía. Transfiere su energía a las moléculas de agua unidas al centro de manganeso situado justo debajo del par y extrae un electrón de ellas. Este centro, situado debajo y a la izquierda del par en el diagrama, contiene cuatro iones de manganeso, un ion de calcio , un ion de cloruro y un residuo de tirosina . El manganeso es apto para estas reacciones porque puede existir en cuatro estados de oxidación: Mn2 ⁺ , Mn3 ⁺ , Mn4 ⁺ y Mn5 ⁺ . El manganeso también forma enlaces fuertes con moléculas que contienen oxígeno, como el agua. El proceso de oxidación de dos moléculas de agua para formar una molécula de oxígeno requiere cuatro electrones. Las moléculas de agua que se oxidan en el centro de manganeso son la fuente de los electrones que reducen las dos moléculas de Q a _QH2 . Hasta la fecha, este centro catalítico de disociación del agua no ha sido reproducido por ningún catalizador artificial.

Después de que el electrón abandona el Fotosistema II, se transfiere a un complejo de citocromo b6f y luego a la plastocianina , una proteína azul de cobre y transportadora de electrones. El complejo de plastocianina transporta el electrón que neutralizará el par en el siguiente centro de reacción, el Fotosistema I.

Al igual que en el Fotosistema II y el centro de reacción bacteriano, un par de moléculas de clorofila a inicia la separación de carga fotoinducida. Este par se denomina P700 , donde 700 hace referencia a la longitud de onda a la que las moléculas de clorofila absorben la luz al máximo. El P700 se encuentra en el centro de la proteína. Una vez iniciada la separación de carga fotoinducida, el electrón viaja a través de una molécula de clorofila α situada directamente encima del P700, a través de una molécula de quinona situada directamente encima de esta, a través de tres clústeres 4Fe-4S y, finalmente, a un complejo de ferredoxina intercambiable. ^{[ 10 ]} La ferredoxina es una proteína soluble que contiene un clúster 2Fe-2S coordinado por cuatro residuos de cisteína. La carga positiva del P700 ⁺ de alta energía se neutraliza mediante la transferencia de un electrón de la plastocianina , que recibe energía que finalmente se utiliza para convertir QH2 _de nuevo en Q. Por lo tanto, la reacción global catalizada por el Fotosistema I es:

Pc(Cu ⁺ ) + Fd [ox] + hν → Pc(Cu ²⁺ ) + Fd [rojo]

La cooperación entre los fotosistemas I y II crea un flujo de electrones y protones desde H₂O _hacia NADP⁺ ^, produciendo NADPH necesario para la síntesis de glucosa. Esta vía se denomina « esquema Z » porque el diagrama redox desde H₂O _hasta NADP⁺ ^a través de P680 y P700 se asemeja a la letra Z. ^{[ 11 ]}