martes, 19 de noviembre de 2013

Metabolismo de carbohidratos / Los cloroplastos (II): Fase luminosa de la fotosíntesis

Ahora que ya se han tocado en esta página web los fundamentos del catabolismo o degradación de los azúcares, consideramos empezar a hablar de su síntesis.

El flujo de energía desde el sol a los organismos y la capacidad
de éstos de convertirla en energía aprovechable  nos permi-
te clasificar a los seres vivos en productores, consumi-
dores primarios, consumidores secundarios y tercia-
rios y descomponedores. Juntos, naciendo, crecien-
do y muriendo en un ecosistema, cerramos un ciclo
de materia y energía que se recicla y transforma.
Sintetizar carbohidratos a partir de sustancias inorgánicas es una capacidad restringida. Nosotros, los animales, podemos recuperar la glucosa a partir de diversas estrategias metabólicas, pero siempre de moléculas orgánicas presentes en nuestro organismo o suministradas por la ingestión de otro organismo diferente, pero no podemos sorber dióxido de carbono del aire y convertirlo en glucosa. Esa es precisamente la transformación que hacen las plantas.

Este proceso de síntesis de materia orgánica a partir de materia inorgánica representa en ecología la clave del flujo de energía y materia en cualquier ecosistema vivo, y toda la energía que utilizamos los organismos (salvo casos puntuales sobre todo en el mundo de las bacterias) procede en último término del Sol. La energía solar es absorbida y canalizada por los cloroplastos de las partes verdes de las plantas y utilizada para impulsar la fotosíntesis, o proceso de transformación del CO2 atmosférico en glucosa, que puede ser usada para sintetizar el resto de principios inmediatos o degradada para convertirse en energía química aprovechable por las células vivas.



Nuestras células carecen de cloroplastos; nunca los asimilaron en el transcurso de la evolución y por eso nuestro papel ecológico es el de consumidores. Las algas y las plantas superiores, en cambio, sí tienen cloroplastos, que les dan la capacidad de fotosintetizar.
Me remito a lo que escribí hace meses: 

Para situar el tema, dejo un dibujo



En esta entrada vamos a hablar de la primera fase de la fotosíntesis, que tiene lugar en la membrana tilacoidal de los cloroplastos.

Básicamente, la fase luminosa está dirigida ha generar las sustancias importantes que serán utilizadas para la fijación y reducción del dióxido de carbono atmosférico, a saber el ATP y el NADPH. Se la ha denominado luminosa porque se sabe que depende directamente de la radiación lumínica, de tal manera que cuando un cloroplasto no es iluminado por una fuente de luz, la fase luminosa no tiene lugar (y por tanto, tampoco la segunda fase de producción de glucosa). ¿Cómo lo sabemos? Porque no se libera oxígeno.

Vamos a analizar esto desde el punto de vista molecular, pues entenderemos así por qué esta fase no ocurre en la oscuridad y por qué no se libera oxígeno.

Básicamente, lo que actúa en la fase luminosa es una cadena de transporte electrónico situada en la membrana de los tilacoides y que está encabezada por dos fotosistemas que absorben a longitudes de onda distintas y transportadores intermedios entre ellos. Los fotosistemas son una asociación de pigmentos (principalmente clorofilas) y proteínas que actúan como embudo para los fotones de luz. Los carotenoides tienen como función absorber luz a otras longitudes de onda diferentes que las clorofilas no pueden, ampliando así el espectro de energía luminosa utilizada.

Comparación del anillo porfirínico de la clorofila con el grupo hemo de la hemoglobina. Ambos tienen una estructura de anillo tetrapirrólico, estando en el centro del grupo hemo un átomo de hierro Fe3+ y en el de la clorofila un Mg2+ de enlaces coordinados con los cuatro nitrógenos. Las plantas sintetizan la clorofila-a a partir del aminoácido glicina y del succinil-CoA; para esta síntesis se requiere luz, Mn y Fe. La carencia de éstos conduce a una deficiencia de clorofila-a o clorosis, que se manifiesta como un empalidezimiento o amarilleamiento de la hoja.
 
Dependiendo de los grupos radicales las clorofilas presentan distintos picos de absorción
a diferentes longitudes de onda. En las plantas las clorofilas presentes son la a y la b.
La cola de fitol sirve para anclar el anillo porfirínico a la bicapa lipídica anfipática de la membrana tilacoidal.
  • Un poco de física: un fotón es el nombre que se le da a la "partícula" de luz. Los fotones, como en realidad todas las partículas elementales en movimiento, presentan dualidad onda-corpúsculo (es decir, en unas situaciones se observa que la luz se comporta como una partícula física y en otras como una onda). Es algo que crispa a los físicos por la incomodidad de la idea, pero lo que a nosotros nos interesa es que cualquier fotón, en su movimiento, lleva asociada una energía que se calcula como E = h·v, donde h es la constante de Planck y v es la frecuencia de la onda asociada. No hay que tenerle miedo a estos términos: la frecuencia es simplemente el número de pulsos que ocurren en un movimiento ondulatorio por unidad de tiempo. Si esta frecuencia es muy alta, la distancia que habrá entre dos puntos en el mismo estado de vibración (longitud de onda) será menor. Esto implica que una radiación electromagnética (estea dentro del espectro visible o no) que tiene una alta frecuencia porta mucha más energía que una radiación que es de baja frecuencia, y que decir alta frecuencia equivale a decir corta longitud de onda y baja frecuencia larga longitud de onda.
  • Un poco más de física: por el modelo actual tenemos en mente que los átomos, en su infinitesimalidad, constan de un pequeño (si cabe) núcleo de protones y neutrones y una corteza de nubes de electrones situados a diferentes distancias o niveles del núcleo según la energía cinética que posean. En estado basal o estado fundamental, un átomo está en su nivel más bajo de energía posible, pero si un fotón de pronto impacta contra uno de sus electrones, la energía cinética se transmite a éste y lo excita, haciendo que suba a un nivel energético superior, haciendo al átomo más vulnerable de perderlo si en sus proximidades se encuentra otro átomo con más afinidad por los electrones que él (en definitiva, una sustancia oxidante o, que es lo mismo, de menor poder reductor).
  • Más física: Einstein se llevó el premio Nobel no por su teoría de la relatividad, tan famosa, sino por definir el efecto fotoeléctrico. Básicamente, sin entrar en detalles, el efecto fotoeléctrico es un fenómeno que se observa cuando iluminamos una placa metálica con ondas electromagnéticas de alta frecuencia, como por ejemplo, dentro del espectro visible, luz azul. Los fotones que vibran con la baja longitud de onda del azul y por tanto portan mucha energía cinética, al impactar contra la lámina metálica arrancan electrones. Dan su energía a los electrones, excitándolos. Y en realidad, la fase luminosa de la fotosíntesis es un proceso fotoeléctrico también. Los electrones que se arrancan no son a una lámina de metal, sino a una molécula de clorofila, pero el resultado atómico es el mismo; la clorofila alcanzada por el fotón ha perdido un electrón.

Después de estas tres ideas que es muy importante tener en cuenta para tener una visión clara de lo que está sucediendo: los fotones de la luz impactan sobre los fotosistemas; por cada fotón se excita un electrón, que es captado por moléculas que oxidan al fotosistema y lo transportan hasta un aceptor.


Un fotosistema es una asociación de pigmentos fotosintéticos, capaces de canalizar la energía que les transfiere la luz, y proteínas. Hay dos tipos de fotosistemas, el I y el II. Se diferencian en su estructura y en su forma de tomar electrones de la clorofila excitada: en el PSI intervienen centros hierro-azufre, mientras que en el PSII son feofitinas y (plasto)quinionas las que captan y se pasan los electrones.


Cuando un fotón colisiona sobre una molécula de pigmento, excita uno de sus electrones. Este estado de alta energía es muy inestable, y el pigmento pierde este electrón (se oxida) cediéndolo a moléculas de pigmento vecinas hasta que el electrón excitado (excitón) alcanza uno de los dos pares de clorofila a que conforman el centro de reacciónEl comportamiento de las clorofilas aisladas in vitro es diferente a su comportamiento en las hojas frescas: se irradiamos con un haz de luz moléculas de clorofila aisladas, efectivamente el impacto de los fotones induce su excitación promocionando uno de los electrones a un orbital superior, pero no se produce transporte de electrones, ya que no hay moléculas vecinas ni centro de reacción al que ceder estos electrones; éstos tienden a volver a su orbitan original y la energía de excitación se libera en forma de luz (fosforescencia) y calor. En el caso de las hojas intactas, el excitón es transferido en ese mosaico de clorofilas y carotenos hasta una de las clorofilas del centro de reacción. Esta clorofila del centro de reacción cede el electrón a un aceptor primario de electrones

La cadena de transporte empieza realmente en el fotosistema II, que tiene su máximo punto de absorción a 680 nm. El fotosistema II, una vez ha recibido el impacto de un fotón y ha perdido su electrón por cesión a un aceptor primario (en su caso, la feofitina), necesita recuperar ese electrón. Aquí entra en juego el papel del agua como donadora de electrones: un complejo existente formado por la asociación de cuatro átomos de manganeso y situado en la cara lumial del fotosistema II va aportando electrones a la clorofila oxidada (por medio de un intermediario Z) conforme un fotón colisiona contra ella. Cuando han colisionado cuatro fotones, el complejo ha perdido cuatro fotones, por lo que se vuelve capaz de oxidar dos moléculas de agua. En esta reacción se liberan cuatro iones hidrógeno H+ y una molécula de oxígeno gas O2 . Ha sucedido así, consecuencia del impacto de los fotones en el fotosistema II y la oxidación sucesiva del complejo de átomos de manganeso, la fotólisis del agua, siendo los electrones del agua los que restablecen el estado neutro del complejo de átomos de manganeso, el cual restableció el estado neutro del fotosistema. Yo se lo doy a él y tú me lo das a mí, de tal forma que nosotros nos quedamos como estábamos al principio y tú... te has disociado en protones y oxígeno respirable.

Esquemáticamente, te presento el flujo de electrones desde el agua hasta el NADPH.
Si no te gusta cómo dibujo, tienes uno a ordenador muy bonito y con unos preciosos derechos de autor que no puedo violar en el siguiente enlace:
http://www.mhhe.com/biosci/genbio/enger/student/olc/art_quizzes/genbiomedia/0154.jpg

Otra forma de verlo es la siguiente
http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/oxphos/photosynth2.jpg

Como puedes ver en cualquiera de los esquemas, la clorofila diana del PSII cede los electrones a la feofitina, el aceptor primario del fotosistema II, que a su vez los pasa a la plastoquinona. La feofitina forma parte del fotosistema, pero la plastoquinona puede difundir en la membrana tilacoidal hasta llegar al complejo citocromo b6-f. Debido a que solo uno de los electrones puede ser transferido desde el donante PQH2 (plastoquinoa reducida) al aceptor citocromo a la vez, el mecanismo de reacción se da en dos pasos que constituyen el ciclo Q. En el primer paso, PQH2 es oxidada siendo un electrón transferido al citocromo b6-f, y dos protones liberados de PQH2 son bombeados al lumen del tilacoide. Uno de los electrones liberados es aceptado por otro transportador difundible: la plastocianina. Otro de esos electrones es aceptado por una plastoquinona PQ que se convierte en radical plastosemiquinona (PQ·). Será una segunda molécula de PQH2  la que aporte dos electrones, uno de los cuales lo acepta la plastocianina y otro que termina de reducir a PQ·· (que se convertirá en PQH2 por unión de dos H+).

Puede resultar confuso pero lo único que significa es que la plastoquinona, que porta dos electrones con sus respectivos protones, cede de cada vez un electrón que va a parar a la plastocianina y otro que va a parar a otra molécula PQ (plastoquinona oxidada), que se reduce a PQH2 por una segunda reacción idéntica a la primera.

Lo importante es seguirle la pista ahora a los electrones que transporta la plastocinanina (uno de cada vez), pues ésta los cede al fotosistema I, sobre el que también impactan fotones de luz, aunque éste absorbe mejor las longitudes de 700 nm. Los electrones que pierde el PSI por acción de los fotones los recupera inmediatamente por los que le trae la plastocianina. A su vez, los electrones que perdió el PSI han ido a parar a la ferredoxina del líquido del estroma circundante.
  • En caso de necesitarse poder reductor, la ferredoxina cede sus electrones captados para reducir NADP+ por acción de la enzima NADP+ reductasa. ¿Qué se ha conseguido? Que a partir de una sustancia tan poco reductora como es el agua obtengamos una molécula fuertemente reductora, propiedad necesaria para las reacciones de biosíntesis.
  • El ATP se va a producir como consecuencia del gradiente quimiosmótico generado por el citocromo b6-f al pasar protones al lumen del tilacoide, acidificándolo (hipótesis quimiosmótica de Mitchell). Es un proceso similar y equiparable al que se vio en la fosforilación oxidativa en las mitocondrias (aunque en éste caso se denomina fotofosforilación), pues es también una ATP sintasa la que actúa con ese gradiente de protones. Para no hacer una entrada más larga de lo necesario, dirijo a la entrada en la que se explicó en este blog el funcionamiento de la ATP sintasa.
Pero el ATP generado por este camino no suele ser suficiente para abastecer la demanda de la fase 2 de la fotosíntesis. Es así que tenemos que distinguir entre transporte acíclico de electrones (todo lo que acabamos de ver) y el transporte cíclico de electrones. En este caso, sólo interviene el fotosistema I, que activado por la luz cede sus electrones a la ferredoxina y ésta, en lugar de usarlos para la reacción enzimática, se los devuelve al citocromo b6-f para que bombee más protones. Los electrones se transportan a la plastocianina y de nuevo al fotosistema I, y así en un ciclo mientras se van introduciendo más H+ en el lumen. De esta manera, se genera más ATP pero sin la formación de NADPH ni la fotólisis del agua; es un mecanismo necesario para ajustar las proporciones de NADPH y ATP.

También puede ocurrir que en ocasiones el fotosistema II sea sobreexcitado porque le llegan más fotones que al fotosistema I. Esto provoca un aumento en los niveles de PQ reducida. Se ha descubierto que este mecanismo se autorregula debido a que la PQH2 promueve la activación de una protein-quinasa unida a membrana que fosforila a ciertas proteínas antena del fotosistema II. Este aumento de carga negativa  procedente de los grupos fosfato en las membranas de los grana apresadas producirá la repulsión entre ellas y el desapilamiento de los grana. De este modo, las proteínas antena fosforiladas se separan del resto del fotosistema II y migran lateralmente a regiones del tilacoide no apresado en grana. Esto reduce el tamaño efectivo del complejo antena del fotosistema II y favorece a su vez la absorción por parte del fotosistema I. El proceso va al revés cuando el fotosistema I empieza a ser el sobreexcitado y, por tanto, se acumula PQ oxidada. Entonces una fosfatasa unida a la membrana provoca la desfosforilación de las proteínas de la antena del fotosistema II, permitiendo que los tilacoides vuelvan a apilarse en grana.

Es una forma curiosa pero efectiva para que los complejos PSI y PSII vayan a la par.

Aquí termino la entrada sobre la fotoquímica o fase luminosa de la fotosíntesis. Conceptos que no pueden olvidarse si tenemos que saber sobre ella son la utilidad y composición de los fotosistemas, quién dona los electrones (el agua), quién los recibe de forma final (el NADPH), quién bombea los protones al lumen (el citocromo b6-f) y para qué (generar ATP por acción de ATP-sintasas) y que el resultado del proceso es la generación de esos dos compuestos que se van a utilizar para la maquinaria biosintética de carbohidratos. El oxígeno es un desecho.

Espero que hayas encontrado esta entrada interesante.
Consulta la bibliografía recomendada en el apartado Sobre el Blog y libros de física y química de por lo menos 2º de bachillerato (que son sencillos) si quieres profundizar más.

1 comentario:

  1. excelente blog y excelente explicación. Sigue así, te sigo ;)

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