METABOLISMO ENERGÉTICO : FOTOSÍNTESIS.

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1 METABOLISMO ENERGÉTICO : FOTOSÍNTESIS. GUIÓN. 3.- METABOLISMO ENERGÉTICO EN LOS CLOROPLASTOS. - CLOROPLASTOS: estructura y composición. - Funciones: esquema global de la fotosíntesis. transporte fotoelectrónico del agua al NADP. fotofosforilación. Hipótesis de Mitchell. utilización del NADPH y del ATP para la fijación fotosintética del CO 2. Ciclo de Calvin. ESTRUCTURA DE LOS CLOROPLASTOS. Al microscopio electrónico se aprecia que los cloroplastos están formados por: Envoltura Estroma y Tilacoides FUNCIONES (PROCESOS EN LOS CLOROPLASTOS) Los cloroplastos son orgánulos encargados de realizar la fotosíntesis. A) ESQUEMA GLOBAL DE LA FOTOSÍNTESIS.- La gran cantidad de reacciones que se producen durante la fotosíntesis se pueden agrupar en dos categorías: 1ª) Reacciones dependientes de la luz.- Tienen lugar en la membrana tilacoidal, en la que se encuentran los pigmentos fotosintéticos. Estas reacciones llevan a cabo: La captura de la energía luminosa por la clorofila. Esta energía es utilizada para elevar la energía de uno de los electrones de la clorofila, hasta que le es arrancado. Transporte de electrones. Los electrones arrancados serán transportados por un conjunto de proteínas transportadoras hasta una coenzima, el NADP+, que se reduce a NADPH. Fosforilaciones fotosintéticas.- El transporte electrónico es empleado para bombear protones desde el estroma al interior del espacio tilacoidal, creándose un gradiente electroquímico que activará a la ATP-sintetasa generadora de ATPs. Fotolisis del agua. La clorofila recupera los electrones perdidos de las moléculas de agua que, al romperse, desprenden oxígeno. (En las células procariotas, el dador de electrones puede ser una sustancia diferente del agua, por ejemplo el SH 2, por lo que en el proceso no se liberará oxígeno, sino en este caso S.) Observa que la cadena de transporte de electrones que hemos descrito aquí es inversa a la que ocurre en la membrana mitocondrial interna. En la mitocondria los electrones se desplazan, libremente, desde el dador de electrones (coenzimas reducidos) que poseen un potencial redox menor hasta el oxígeno, cuyo potencial redox es mayor. En los cloroplastos, los electrones deben transportarse desde el agua (dador débil de electrones) hasta los coenzimas oxidados que deben ser reducidos (y que poseen escasa afinidad por los electrones). En ambos procesos, el transporte electrónico es utilizado para crear un gradiente electroquímico que activa a la ATP-sintetasa generadora de ATPs. 1 1

2 2ª) Reacciones oscuras.- Los ATPs y los NADPH producidos en las reacciones luminosas se utilizan como fuente de energía y de poder reductor, respectivamente, e impulsan la síntesis de carbohidratos a partir de CO 2. A este proceso también se le conoce como fijación del carbono. Estas reacciones empiezan en el estroma del cloroplasto y continúan en el citosol celular. Reciben el nombre de reacciones oscuras porque, si bien necesitan los productos de las reacciones dependientes de la luz, no necesitan la luz solar directamente. B) PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS.- En los cloroplastos, los electrones deben transportarse desde el agua hasta los coenzimas oxidados. Para lograr este transporte, a los electrones se les aporta la energía que los pigmentos fotosintéticos captan de la luz. Hay varios tipos de pigmentos, los más abundantes son las clorofilas, aunque según el vegetal de que se trate pueden haber otros pigmentos accesorios, como los carotenoides. Las clorofilas son pigmentos de color verde, compuestos por una cadena de fitol unida a un anillo tetrapirrólico, que contiene magnesio. Esta estructura presenta una serie de dobles enlaces conjugados, gracias a los cuales absorben la luz de determinadas longitudes de onda. Existen varias clases de clorofilas, aunque las más características son las clorofilas "a" y "b". Los carotenoides son moléculas cuya estructura terpénica está formada por dos moléculas de vitamina A unidas. Son de color amarillo o anaranjado y pueden ser de 2 tipos: carotenos y xantofilas. Sobre la membrana tilacoidal, los pigmentos fotosensibles se presentan agrupados, formando unas estructuras conocidas como fotosistemas. En estas agrupaciones, los pigmentos están dispuestos de tal forma, que la energía luminosa absorbida por cada una de ellos, se canaliza hacia una molécula de clorofila especial, denominada clorofila del centro de reacción. Esta molécula, asociada estrechamente con proteínas, participa en el flujo de electrones desde el H 2O hasta el NADP+. Se han diferenciado dos tipos de fotosistemas: el Fotosistema I (FS I), compuesto por clorofila a, clorofila b, carotenos y la clorofila ai. Esta última, tiene su máximo de absorción con radiación de 700 nm y es la clorofila del centro de reacción. y el Fotosistema II (FS II), que está compuesto por clorofila a y b, ficoeritrina, ficocianina y xantofila. La clorofila del centro de reacción es la conocida como clorofila aii, que tiene un máximo de absorción a 680 nm. 2 2

3 C) TRANSPORTE FOTOELECTRÓNICO DESDE EL AGUA AL NADP.- Uno de los procesos fundamentales de la fotosíntesis, es el transporte de electrones a través de una cadena de enzimas o proteínas. Según los conocimientos actuales, estos transportadores están ordenados de forma secuencial en la membrana tilacoidal. Un esquema de dicho ordenamiento es el siguiente: FS I NADP Ferredoxina clorofila ai plastocianina V citocromo f citocromo b 6 FS II plastoquinona clorofila aii ^ 2 e- 2 H+ H 2 O 1/2 O 2 La energía de la luz solar actúa sobre la clorofila del fotosistema II (denominado así por razones históricas), y excita un electrón desde su estado de baja energía a un estado de alta energía. El agua libera 4e- produciendo la reacción: 2 H 2 O 4 H+ + 4e- + O 2 Los 4 e- elevan su estado energético al incidir sobre el PSII que ha sido activado por la energía lumínica. Los electrones abandonan el PSII y siguiendo la cadena transportadora inciden sobre el PSI, elevando de nuevo su estado energético. Abandonan el PSI empujados por la excitación lumínica y son capaces de reducir el NADP+ a NADPH. El trayecto recorrido por los electrones a través de la cadena respiratoria se denomina esquema "Z" por representar un zig-zag. 3 3

4 D) FOTOFOSFORILACIÓN: HIPÓTESIS DE MITCHELL. Al igual que en la mitocondria, en el cloroplasto, a medida que los electrones fluyen por la cadena de transporte electrónico, los protones son bombeados desde el estroma hasta el espacio tilacoidal, creando una disminución de ph y un gradiente electroquímico a ambos lados de la membrana tilacoidal. Del mismo modo que ocurría en la mitocondria, este gradiente es capaz de generar ATPs, por medio de la enzima ATP sintetasa. En la fotofosforilación que acabamos de mencionar se sintetiza algo más de una molécula de ATP por cada NADPH formado. Sin embargo, para transformar materia inorgánica en orgánica, que es la finalidad de la fotosíntesis, se necesita más ATP que NADPH. Para resolver este problema, los cloroplastos disponen de un sistema que les permite fabricar ATP sin producir NADPH. A este sistema se le conoce como fotofosforilación cíclica. Se trata de un proceso, en el que los electrones liberados por el FS I, en vez de pasar al NADP+, son transferidos de nuevo a la cadena de transporte de electrones que media entre los 2 fotosistemas. Cuando los electrones fluyen a través de esta cadena, se bombean protones a través de la membrana tilacoidal y el gradiente electroquímico resultante impulsa la síntesis de ATP. En resumen, la fotofosforilación no cíclica implica la reducción del NADP+ por el agua, proceso que está mediado por los dos fotosistemas y que produce NADPH, ATP y O 2. En cambio, la fotofosforilación cíclica implica tan sólo al fotosistema I y produce ATP, sin formación de NADPH ni de O 2. E) UTILIZACIÓN DEL NADP Y DE ATP PARA LA FIJACIÓN FOTOSINTÉTICA DEL CO 2: CICLO DE CALVIN. El ATP y el NADPH producidos en la fotofosforilación se utilizan, respectivamente, como fuente de energía y de poder reductor para impulsar la formación de azúcares a partir de dióxido de carbono (fijación del carbono). La fijación del carbono se produce en el estroma del cloroplasto, a través de una reacción en la que el CO 2 se añade a una molécula de ribulosa 1,5-difosfato. Este proceso es catalizado por la ribulosa difosfato carboxilasa, enzima que trabaja con bastante lentitud ( sólo transforma unas 3 moléculas de substrato por segundo) y que hace necesario que en cada cloroplasto existan muchas copias de ella. Se dice que es la enzima (proteína) más abundante del mundo, ya que a menudo representa más del 50% del total de proteínas del cloroplasto. O C O C O H 2 O COO- COO- ribulosa 1,5-difosfato 2 moléculas de 3-fosfoglicerato 4 4

5 A continuación, el 3-fosfoglicerato, se reduce a gliceraldehído-3-fosfato, mediante una reacción que utiliza NADPH y ATP. 3-fosfoglicerato 6 ATP 6 ADP 6 NADPH 6 P y 6 NADP+ gliceraldehído 3-fosfato Las moléculas de gliceraldehído 3-P, en el mismo estroma del cloroplasto y a través de diferentes reacciones, puede transformarse en ácidos grasos, aminoácidos o almidón. Sin embargo, la mayor parte de las moléculas abandonan el cloroplasto y ya en el citosol, por medio de varias reacciones inversas a la glucolisis, se transforman en fructosa 6-fosfato y glucosa 6-fosfato. Estos dos azúcares-fosfato pueden unirse produciendo el disacárido sacarosa, que es exportado desde las hojas por los vasos conductores, al resto de la planta. Si el vegetal no necesita nutrir a otros tejidos, puede almacenarse en forma de almidón. Para que la fijación del CO 2 no se detenga, tiene que estar presente continuamente la ribulosa 1,5-difosfato. Puesto que esta molécula desaparece a medida que se produce la incorporación del dióxido de carbono, debe existir algún proceso que la regenere. Esta vía, que se conoce como CICLO DE CALVIN, consiste en una serie de reacciones cuyo fin es la producción de ribulosa 1,5-difosfato a partir de algunas de las moléculas de 3-fosfoglicerato formadas. 5 5