Fotosíntesis - Fase Clara

Transcripción

1 Fotosíntesis - Fase Clara Bioquímica II Universidad Nacional de Quilmes

2 Fotosíntesis CO 2 H2 0 Luz (CH2O) n O2 Son dos procesos acoplados H2O Luz NADP ADP P i Fase Clara O 2 NADPH ATP H CO 2 NADPH ATP H2O H Fase Oscura (CH2O) n NADP ADP P i

3 Qué es la luz?

4 E Es una radiación electromagnética, cuya mínima cantidad es finita: fotones. Se la puede caracterizar por su longitud de onda( ), M por su frecuencia ( ) y su polarización. Cada fotón posee una energía asociada que depende de su frecuencia. c / (nm) E h (1/s) -rays x-rays UV IR Microondas Radio Radio onda larga Nosotros (los humanos) sólo vemos una pequeña parte del espectro electromagnético (nm) Algunas moléculas son capaces de absorber la energía de los fotones.

5 Qué ocurre cuando una molécula absorbe luz? Electrón en estado exitado De que formas puede volver al estado basal? Pigmento h { Electrón en estado basal

6 Qué ocurre cuando una molécula absorbe luz? h h h Disipación térmica Fluorescencia/Fosforescencia h h A B A B Transferencia por resonancia Fotooxidación Qué moleculas absorben luz?

7 Pigmentos... El pigmento más importante en la fotosintesis es la clorofila. Hay varios tipos de clorofila, de ellos la clorifilas a y b son las más abundantes. Las bacterias poseen bacterio-clorofila en lugar de clorofila. Los pigmentos tienen grandes regiones de su molécula en resonancia formando un orbital. H 3 C Cuando un fotón excita a una molécula de un pigmento, un electrón del orbital da un salto de energía. H 3 C CH 2 CH N N Clorofila a Mg N N CH 3 C H 2 CH 3 CH 3 CH 3 O CH 3 H 3 C C H 2 C H CH2 3 H 2 C C H 2 C H H 2 C O C H 2 CH 2 H 2 C O Phytol H 3 C C H 2 C O Est. de resonancia.

8 Pigmentos... Otros pigmentos importantes son -caroteno y ficoeritrobilina. H 3 C H 3 C C H 3 C H 3 C H 3 H 3 C C H 3 C H 3 -caroteno C H 3 C H 3 HOOC COOH C H 3 C H 2 H 2 C C H 2 H 3 C C H H 3 C C H 2 H 2 C C H 3 H 3 C C H O N H C H N H C H Ficoeritrobilina N H C H 2 C H N H O Est. de resonancia. Por qué tantos pigmentos distintos?

9 Espectros de absorción clorofila a clorofila b -caroteno ficoeritrobilina ficocianina Espectro de absorción del sol en la superficie terrestre 0% 0% 0% 0% 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?

10 Espectros de absorción clorofila a clorofila b -caroteno Eficiencia de la fotosíntesis a diferentes longitudes de onda 0% 0% 0% 0% donde ocurre la fotosíntesis?

11 Donde ocurre la fotosíntesis?

12 Cloroplastos Espacio intermembrana Membrana externa Citoplasma Membrana interna Estroma Lumen Membrana del tilacoide Lumen Los cloroplastos son organelas presentes en plantas y algas fotosintéticas. Su tamaño está entre 2 y m. Complejos fotosintéticos La membrana del tilacoide es permeable a iones,pero no a protones. La membrana del tilacoide contiene a los pigmentos fotosintéticos

13 Cloroplastos Estroma Grana de tilacoides Lamela de la grana Estroma Grana de tilacoides Lumen Fotosistema I Fotosistema II Citocromo b 6 f ATPasa Lumen Lamela del estroma Las dos fases de la fotosítensis se llevan a cabo en el cloroplasto. La fase clara sobre la membrana del tilacoide y la fase oscura en el estroma.

14 Cloroplastos Granas Lamelas Granos de almidón Microscopia electrónica

15 Como se produce la fotosintesis?

16 Fotosistemas - antenas - centros reacción. Complejos antena Los pigmentos se encuentran en complejos proteicos: - Complejos antena LHC-II LHC-I Captan energía de la luz y la transmiten por resonancia a los fotosistemas Se llaman LHC en plantas. (por Light Harvesting Complex). - Fotosistemas Contienen al centro de reacción. Contienen además otros pigmentos antenas y moléculas transportadoras de electrones. Fotosistema

17 Fotosistemas - antenas - centros reacción. LHC-II h LHC-I Estado exitado Fotosistema Pigmentos antena Centro de reacción Estado basal Transferencia de energía

18 Qué es el centro de reacción?

19 Centro de reacción. Par Especial Pigmento antena Clorofila en el centro de reacción Aceptor de electrones - Esta disposición deforma el orbital π, lo que facilita la pérdida de un electrón. - Dador de electrones

20 Cómo es la cadena de transporte de electrones?

21 Cadena de transporte - Esquema Z Esquema de potenciales estándar de Red (Eº red) -1 P680* Phe PQa Luz P700* Ao A1 Fe-S Fd NADP H 0 Luz PQb cit b 6 f Fd/NADP Oxidoreductasa NADPH H 2 O Plastocianina P700 1 ½ O2 2 H Complejo generador de O 2 P680 = Salto de un electrón = Excitación por un fotón Hemirreacciones = Centros de reacción Muestra la energética del proceso. No muestra temporalidad ni localización.

22 Potenciales de reducción Hemirreacciones de reducción E ΔE ΔG Dador (Ox) n. e- Dador (Red) -0,5 - - Aceptor (Ox) n. e- Aceptor (Red) -0,4 - - Reacción rédox Dador (Red) Dador (Ox) n. e- 0,5 - - Aceptor (Ox) n. e- Aceptor (Red) -0,4 - - Dad.(Red) Ac.(Ox) Dad.(Ox) Ac.(Red) 0,1 < 0 Espontáneo

23 Cadena de transporte - Esquema Z Hemirreacciones de reducción E ΔE -1 P680* P680(Ox) e- P680 (Red) 1 - P680(Ox) e- P680* (Red) -1 - Luz 0 Como suceden 1 P680 P680 (Red) h.v P680* (Red) 1 P680*(Red) P680 (Ox) e- 2 P680(Ox) e- P680 (Red) 3

24 Cadena de transporte - Esquema Z Reacciones de rédox -1 P680* P680*(Red) Aceptor (Ox) e- P680 (Ox) e- Aceptor (Red) 2 0 Luz p680*(red) Ac.(Ox) P680(Ox) Ac.(Red) 1 P680 Dador (Red) P680(Ox) e- Dador (Ox) e- P680 (Red) 3 p680(ox) Dador(Red) P680º(Red) Dador(Ox)

25 Cadena de transporte - Esquema Z -1 0 Tabla de potenciales estandar de Red (Eº red) Luz P680* Phe PQa PQb cit b 6 f Luz P700* Ao A1 Fe-S Fd Fd/NADP Oxidoreductasa NADP H NADPH H 2 O Plastocianina P700 = salto de un electrón 1 ½ O2 2 H Complejo generador de O 2 P680

26 Cadena de transporte - Esquema de membrana ATP Estroma Fotosistema II 2 H 2 H cit b 6 f Fotosistema I Fd NADP H NADPH ADP Pi n H PQa PQb Ciclo Q Phe PQH 2 P680 Fe-S Fe Fe-S A1 Ao P700 Fd/NADP OR. H 2 O ½ O 2 2H 2 x 2 H Plastocianina n H ATPasa Lúmen

27 Cadena de transporte - Esquema de membrana ATP Estroma Fotosistema II 2 H 2 H cit b 6 f Fotosistema I Fd NADP H NADPH ADP Pi 3H PQa PQb Ciclo Q Phe PQH 2 P680 Fe-S Fe Fe-S A1 Ao P700 Fd/NADP OR. H 2 O ½ O 2 2H 2 x 2 H Plastocianina 3H ATPasa Lúmen

28 Complejo Generador de Oxígeno H 2 O H 2 O O O H 2 O Ca O H 2 O O Mn Mn Mn Mn El complejo une dos moléculas de agua. El P680 quita cuatro electrones de a uno por vez a estas dos moléculas de agua. O 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. H 2 O H HO H 2 O H - 2 O e 2H 2 O - e S 4 h S 3 H - e O 2 p680 p680 S 0 p680 - H e p680 H - e h p680 p680 p680 p680 S 2 H H 2 O 2 HO 2 O 2 - e S 0 S 1 S 2 S 3 S 4 - H e S 1 h - e h

29 Cadena de transporte - Esquema de membrana ATP Estroma Fotosistema II 2 H 2 H cit b 6 f Fotosistema I Fd NADP H NADPH ADP Pi 3H PQa PQb Ciclo Q Phe PQH 2 P680 Fe-S Fe Fe-S A1 Ao P700 Fd/NADP OR. H 2 O ½ O 2 2H 2 x 2 H Plastocianina 3H ATPasa P680 es el oxidante más fuerte de la cadena de transporte. Lúmen

30 Fotosistema II Nuestra visión de la fotosíntesis se inicia con la pérdida de un electrón del par especial de clorofilas. H 2 O Centro de Mn del complejo generador de O Par especial de clorofilas del centro de reacción. 2 Clorofila (no se reduce) Tirosina Z 6 3 Feofitina Globalmente, el dador de electrones es el H2O. 4 Plastoquinona A Fe 5 Plastoquinona B

31 Cadena de transporte - Esquema de membrana ATP Estroma Fotosistema II 2 H 2 H cit b 6 f Fotosistema I Fd NADP H NADPH ADP Pi 3H PQa PQb Ciclo Q Phe PQH 2 P680 Fe-S Fe Fe-S A1 Ao P700 Fd/NADP OR. H 2 O ½ O 2 2H 2 x 2 H Plastocianina 3H ATPasa Lúmen

32 Citocr. b 6 Citocromo b6f - Ciclo Q - Plastocianina Plastocianina La plastoquinona reducida generada 2H en el PSII, entra en un ciclo Q. Idéntico Hemo Rieske Hemo al mitocondrial, y con el misma estequiometría de translocación de protones. Quinona Red. 1 Quinona Red. Citocr. F Los electrones que arriban al grupo hemo 2 del citrocromo f son Lumen cedidos a la plastocianina. Hemo Hemo 3 Hemo Hemo 4 Estroma Quinona Ox. Hemiquinona 5

33 Citocromo b6f - Ciclo Q - Plastocianina 2H Hemo Rieske Hemo 6 Quinona Red. Quinona Red. Citocr. F 7 Lumen Hemo Hemo 8 Citocr. b 6 Hemo Hemo 9 Estroma 2H Hemiquinona Quinona Red.

34 Cadena de transporte - Esquema de membrana ATP Estroma Fotosistema II 2 H 2 H cit b 6 f Fotosistema I Fd NADP H NADPH ADP Pi 3H PQa PQb Ciclo Q Phe PQH 2 P680 Fe-S Fe Fe-S A1 Ao P700 Fd/NADP OR. H 2 O ½ O 2 2H 2 x 2 H Plastocianina 3H ATPasa Lúmen

35 Fotosistema I 1 Par especial de clorofilas del centro de reacción. 2 Clorofila (A 0 ) Los electrones que pasan por los centros de hierro-azufre son cedidos finalmente a la ferredoxina. 3 Quinona (A 1 ) Esta proteína está debilmente asociada a la membrana y sufre reacciones redox de un electrón. 4 Centros de hierro azufre 5 Ferredoxina

36 Cadena de transporte - Ferredoxina/NADP oxidoreductasa ATP Estroma Fotosistema II 2 H 2 H cit b 6 f Fotosistema I Fd NADP H NADPH ADP Pi 3H PQa PQb Ciclo Q Phe PQH 2 P680 Fe-S Fe Fe-S A1 Ao P700 Fd/NADP OR. H 2 O ½ O 2 2H 2 x 2 H Plastocianina 3H ATPasa Lúmen

37 Cadena de transporte - Ferredoxina/NADP oxidoreductasa FAD/FADH2 NADP/NADPH El FAD se reduce a FADH2, mediante dos eventos de transferencia de un electrón desde la ferredoxina Ferredoxina El FADH2 reduce al NADP en un evento de transferencia de dos electrones

38 Estequiometría De La Fotosíntesis 2 Dos fotones Dos fotones NADP H NADPH 2 H 2 H Fd PQa PQb Phe PQH 2 P680 PQH 2 Ciclo Q Fe-S Fe Fe-S A1 Ao P700 H 2 O ½ O 2H 2 x 2 H PC Fotosistema II cit b 6 f Fotosistema I Fd/NADP OR. Protones tomados del estroma 2 H 2 H 0 H H 2 H 4 H 0 H 0 H Proteones cedidos as lúmen del tilacoide

39 Cadena de transporte - ATPasa ATP Estroma Fotosistema II 2 H 2 H cit b 6 f Fotosistema I Fd NADP H NADPH ADP Pi n H PQa PQb Ciclo Q Phe PQH 2 P680 Fe-S Fe Fe-S A1 Ao P700 Fd/NADP OR. H 2 O ½ O 2 2H 2 x 2 H Plastocianina n H ATPasa Lúmen

40 Cadena de transporte - ATPasa ATP ADP Pi H Subunidad C 12 C La ATPasa da un giro completo cuando se ha translocado un protón por cada subunidad C H Lumen H Estroma Por cada giro completo se obtienen 3 moléculas de ATP Se requieren 12H / 3 ATP = 4H / ATP H ATPasa Estequiometría general 2H2O 8 h.v 3ADP 3Pi 2NADP O 2 3 ATP 2NADPH

41 Fotosíntesis cíclica. 2 Luz -1 0 Tabla de potenciales estandar de Red (Eº red) P680* Phe PQa PQb cit b 6 f Luz P700* Ao A1 Fe-S Fd Fd/NADP Oxidoreductasa NADP H NADPH H 2 O Plastocianina P700 = salto de un electrón 1 ½ O 2 H P680 Complejo generador de O 2 En ciertas situaciones no es necesario generar poder reductor, pero si energía.

42 Phe Fotosíntesis cíclica. -1 Tabla de potenciales estandar de Red (Eº red) P680* PQa Luz P700* Ao A1 Fe-S Fd FQR X 0 PQb cit b 6 f Fd/NADP Oxidoreductasa Plastocianina P700 = salto de un electrón 1 P680 Cómo es la estequiometría de translocación de protones? En ciertas situaciones no es necesario generar poder reductor, pero si energía. En la fotosíntesis cíclica los electrones que llegan a la ferredoxina son enviados atras hacía las quinonas que entran a citocromo b6f.

43 Cit c 2 cit bc 1 Fotosíntesis en otras bacterias Bacterias púrpuras Bacterias verdes azufradas -1-0,5 P870* Phe PQa Luz PQb -1-0,5 Luz P840* Q Fd Fd/NADP Oxidoreductasa NADP H NADPH 0 cit bc 1 Cit c 0 H 2 S P840 0,5 P S, SO 4 = salto de un electrón Las bacterias púrpuras poseen 0,5 Las bacterias verdes poseen un sistema un sistema muy similar al fotosistema II. muy similar al fotosistema I.

44 ... y en arqueas. 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. Lisina Basal Excitado Cis Trans Retinal Aspartico Arginina

45 Fin

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47 Los fotosistemas están separados Grana de tilacoides Lumen Lumen Fotosistema I Fotosistema II Citocromo b 6 f ATPasa Asociado a la lamela Asociado a la grana Distribución uniforme Distribución uniforme LHC-II LHC-I Fotosistema I h Fotosistema I

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49 Random facts...

50 La crisis del oxígeno. Cianobacterias

51 Fotosíntesis en fuentes hidrotermales oceánicas