FACULTAD DE QUÍMICA DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA. CURSO DE BIOQUÍMICA (CLAVE 1508) Licenciaturas de QFB y QA

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1 FACULTAD DE QUÍMICA DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA CURSO DE BIOQUÍMICA (CLAVE 1508) Licenciaturas de QFB y QA Prof. Laura Carmona Salazar Grupos: 05 y 10 Semestre: 10-I Este material es exclusivamente para uso educativo y no de lucro

2 FOTOFOSFORILACIÓN a) Reacciones de transferencia de electrones en los cloroplastos b) Síntesis de ATP

3 IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LOS ORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS: Células fotosintéticas ATP, NADPH CARBOHIDRATOS + O 2 Células heterótrofas CO 2 + H 2 O + ATP

4 LA FOTOSÍNTESIS SUCEDE EN UNA DIVERSIDAD DE BACTERIAS, ALGAS Y EN PLANTAS

5 FOTOSÍNTESIS: A) FASE LUMINOSA FOTOFOSFORILACIÓN B) FASE DE ASIMILACIÓN DEL CARBONO

6 6H 2 O + 6CO > C 6 H 12 O 6 + 6O 2 OXIDACIÓN REDUCCIÓN Agente reductor oxidante

7 FOSFORILACIÓN OXIDATIVA FOTOFOSFORILACIÓN LUGAR: MITOCONDRIA CLOROPLASTO TRANSFERENCIA DE ELECTRONES FLUJO DE PROTONES = FUERZA PROTÓN-MOTRIZ SÍNTESIS DE ATP

8 ESTRUCTURA DEL CLOROPLASTO MEMBRANA EXTERNA MEMBRANA INTERNA LAMELA DEL ESTROMA TILACOIDE ESTROMA ESPACIO INTERMEM- BRANAL GRANA (Saco de tilacoides)

9 MEMBRANA TILACOIDAL: 10% fosfolípidos 80% mono- o digalactosil Diacilgliceroles 10% sulfoquinovosil diacilglicerol Alta insaturación: fluidez FOTOFOSFORILACIÓN Reacciones luminosas Grana Estroma ESTROMA Reacciones independientes de luz

10 FOSFORILACIÓN OXIDATIVA FOTOFOSFORILACIÓN LUGAR: MITOCONDRIA CLOROPLASTO TRANSFERENCIA DE ELECTRONES FLUJO DE PROTONES = FUERZA PROTÓN-MOTRIZ SÍNTESIS DE ATP DADOR ELECTRÓNICO: NADH (E o V) H 2 O (E o V)

11 LA FOTOFOSFORILACIÓN SE LLEVA A CABO EN LOS CLOROPLASTOS, DONDE EL FLUJO DE ELECTRONES SE DA A TRAVÉS DE UNA SERIE DE TRANSPORTADORES DE ELECTRONES LIGADOS A MEMBRANA

12 RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Es energía emitida en forma de onda de naturaleza electromagnética (fotones) FOTÓN.- TIPO DE Tiene propiedades Rayos ondulatorias y de partícula Rayos gamma UV Infrarojo Microondas (Teoría RADIACIÓN de la dualidad onda-partícula) X Longitud de onda La energía de un mol de fotones de luz visible es 170 a 300 kj LUZ VISIBLE Ecuación de Planck E=hvAmarillo Violeta Azul Verde Naranja Rojo donde h es la constante de Planck y v es la frecuencia Longitud de onda (nm) Ondas de radio A MAYOR FRECUENCIA MAYOR ENERGÍA A MENOR LONGITUD DE ONDA MAYOR ENERGÍA

13 CROMÓFORO ESTADO EXCITADO EXCITÓN Fotón CROMÓFORO DURANTE EL DECAIMIENTO LIBERACIÓN DE LA ENERGÍA LUZ, CALOR O PARA TRABAJO QUÍMICO CROMÓFORO ESTADO BASAL FLUORESCENCIA (LUZ) MENOR ENERGÍA (λ MAYOR) TRANSFERENCIA DIRECTA DE LA ENERGÍA DE EXCITACIÓN A OTRA MOLÉCULA

14 LAS CLOROFILAS ABSORBEN ENERGÍA LUMINOSA PARA LA FOTOSÍNTESIS Son pigmentos verdes Estructuras policíclicas planas Mg 2+ Sistemas altamente conjugados Asociados a proteínas CHO Clorofila b Excitado Localización membranal Cadena lateral de fitol Basal Clorofila a

15 ADICIONALMENTE EXISTEN PIGMENTOS ACCESORIOS β-caroteno Luteína (xantofila)

16 LOS SISTEMAS DE CAPTACIÓN ESTÁN ASOCIADOS A PROTEÍNAS DE UNIÓN ESPECÍFICAS COMPLEJOS DE CAPTACIÓN DE LUZ Segmento α-helicoical 5 clorofilas b 7 clorofilas a 2 luteínas MONÓMERO, LA UNIDAD FUNCIONAL ES UN TRIMERO

17 ESTROMA LUMEN TILACOIDAL MEMBRANA TILACOIDAL (MEMBRANA INTERNA) FOTOSISTEMAS LUZ CLOROFILAS PIGMENTOS ACCESORIO MOLÉCULAS CAPTADORAS Clorofilas ANTENA CENTRO DE REACCIÓN FOTOQUÍMICO ENERGÍA LUMINOSA EN ENERGÍA QUÍMICA

18 LA ABSORCIÓN DE UN FOTÓN EXCITA MOLÉCULAS DE CLOROFILA Y PIGMENTOS ACCESORIOS CUYO OBJETIVO ES CANALIZAR LA ENERGÍA HACÍA LOS CENTROS DE REACCIÓN CÓMO SE TRANSFORMA LA ENERGÍA LUMINOSA EN ENERGÍA QUÍMICA?

19 * * * * * ** * - + **- * + DONADOR ACEPTOR ELECTRÓNICO DONADOR ELECTRÓNICO * * * * MOLECULA CAPTADORA EN SU ESTADO BASAL 1) LA FOTOEXCITACIÓN PROVOCA UNA SEPARACIÓN DE CARGAS 2) SE PRODUCEN DOS ESPECIES: UN BUEN DADOR ELECTRÓNICO UN BUEN ACEPTOR ELECTRÓNICO

20 CENTROS DE REACCIÓN EN PLANTAS SUPERIORES FOTOSISTEMA I (P700) FOTOSISTEMA II (P680)

21 ARQUITECTURA DE LOS FOTOSISTEMAS Annu. Rev. Plant Biol. (2006) 57:521

22 EXCELENTE DONADOR La fotofosforilación requiere del aporte de energía en forma de luz para generar un buen dador electrónico H 2 O RADICAL CATIÓNICO

23 EL AGUA ES ESCINDIDA 1) EL AGUA ES LA ÚLTIMA FUENTE DE ELECRONES QUE PASAN AL NADPH EN LA FOTOSÍNTESIS 2) LO CUAL ES NECESARIO PARA QUE EL P680 REGRESE A SU ESTADO BASAL Y PUEDA CAPTAR OTRO FOTÓN HACE UNOS 3000 MILLONES DE AÑOS, LA EVOLUCIÓN PRODUJO UN FOTOSISTEMA CAPAZ DE TOMAR ELECTRONES DE UN DADOR QUE ESTÁ SIEMPRE DISPONIBLE: H 2 0

24 EN TOTAL SE TRANSFIEREN 4 ELECTRONES DEL AGUA AL ÚLTIMO ACEPTOR (SE REQUIEREN DE 8 FOTONES) NADP + NADPH Estroma Fotón PII (P680) PLASTOCIANINA PI (P700) Fotón Membrana tilacoidal Lumen tilacoidal H 2 O O 2 Esquema en Z 2H 2 O + 2 NADP fotones O NADPH + 2 H +

25 FOTOSISTEMA II.- SISTEMA FEOFITINA-QUINONA Estroma Fotón P680* Feofitina PQ A Cyt b 6 f Membrana tilacoidal P680 PQ B PQ B H 2 Lumen tilacoidal

26 Cyt b6f P700

27 Cyt b6f A través del Cyt b6f se genera el gradiente de protones

28 FOTOSISTEMA II.- SISTEMA TIPO FEOFITINA-QUINONA Estroma Fotón P680* P680 H 2 O O 2 Feofitina PQ A PQ B PQ B H 2 Cyt b 6 f Plastocianina Cytc Membrana tilacoidal Lumen tilacoidal

29 FOTOSISTEMA I (P700) Estroma NADP + + H + NADPH P700* Ferredoxina: NADP + oxidorreductasa Fotón Filoquinona A (A 1 ) Fe-S P700 Membrana tilacoidal Plastocianina (reducida) Lumen tilacoidal

30 EL GRADIENTE DE PROTONES ES GENERADO POR EL Cyt b6f Y POR LA ESCISIÓN DEL H 2 O

31 LA FUERZA PROTÓN-MOTRIZ CREADA IMPULSA LA SÍNTESIS DE ATP POR ACCIÓN DEL COMPLEJO CF O CF 1 (ATP SINTASA) A TRAVÉS DE UN MECANISMO CATALÍTICO ROTACIONAL SIMILAR AL DE LA ATP SINTASA MITOCONDRIAL (F O F 1 )

32 FOTOFOSFORILACIÓN NO-CÍCLICA NADP + NADPH Estroma Fotón PII (P680) PLASTOCIANINA PI (P700) Fotón Membrana tilacoidal Lumen tilacoidal 4H + 2e - 1 H 2 O O + 2 2H + 2 4e - O 2 1 NADPH requiere 2e - del H 2 O Y 4 fotones 2H 2 O + 2 NADP fotones O NADPH + 4H + 2H 2 O + 2 NADP fotones + 3 ADP + 3 Pi O NADPH + 3 ATP

33 FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA NADP + ADP + Pi ESTROMA ATP Fd ox Cyt b6f Fd red Fd OX Ferredoxina ATP sintasa CF 1 CF o Plastocianina PC ox PC red PC ox 4H + ADP + Pi ATP + H 2 O NO SE FORMA NI NADPH NI O 2 LUMEN TILACOIDAL

34 FASE OSCURA DE LA FOTOSÍNTESIS (INDEPENDIENTE DE LA LUZ) PROCESO DE ASIMILACIÓN DE CO 2 (FIJACIÓN DE CO 2 O FIJACIÓN DE CARBONO) CICLO DE CALVIN (CICLO DE REDUCCIÓN FOTOSINTÉTICA DEL CARBONO)

35 ESTRUCTURA DEL CLOROPLASTO MEMBRANA EXTERNA MEMBRANA INTERNA LAMELA DEL ESTROMA TILACOIDE ESTROMA ESPACIO INTERMEM- BRANAL GRANA (Saco de tilacoides)

36 MEMBRANA TILACOIDAL: 10% fosfolípidos 80% mono- o digalactosil Diacilgliceroles 10% sulfoquinovosil diacilglicerol Alta insaturación: fluidez FOTOFOSFORILACIÓN Reacciones luminosas Grana Estroma ESTROMA Reacciones independientes de luz

37 Sacarosa (transporte) Almidón (Almacenaje) Celulosa (Pared celular) Hexosas fosfato Triosas fosfato Pentosas fosfato Metabolitos intermediarios La síntesis de ATP y de NADPH durante la fase luminosa proporciona energía y poder reductor para la fijación de CO 2 en TRIOSAS, precursores de todos los compuestos carbonados de las células vegetales

38 Durante el Ciclo de Calvin que sucede en el estroma del cloroplasto, el CO 2 llega hasta ahí penetrando primero a las células de la hoja por los estomas de la superficie de la hoja

39 OBJETIVOS DEL CICLO DE CALVIN: Fijar el CO 2 del aire en moléculas orgánicas sencillas Producir esqueletos carbonados sencillos que se usan como precursores en la síntesis de otros compuestos Producir grandes cantidades de NADP + La vía es por tanto sintética (anabólica) y es reductora (tiene reacciones que consumen poder reductor o NADPH)

40 El CICLO DE CALVIN SE PUEDE DIVIDIR EN TRES ETAPAS Etapa I Fijación del CO 2 Etapa II Reducción y producción de triosa fosfato (G3P) Etapa III Regeneración del aceptor de CO 2 (ribulosa-1,5- bisfosfato)

41 ETAPAS DEL CICLO DE CALVIN:

42 PASO 1 Reacción catalizada por la RUBISCO CARBOXILASA FASE DE FIJACIÓN DE CO 2 El CO 2 difunde al interior del estroma del cloroplasto y la RUBISCO incorpora un CO 2 a una molécula de 5C que es un carbohidrato llamado RIBULOSA 1,5 BISFOSFATO (RuBP). El producto es de 6C que se parte en dos moléculas de 3C (3-fosfoglicerato)

43 LA RIBULOSA 1,5-BISFOSFATO CARBOXILASA RuBP CARBOXILASA/OXIGENASA (RubisCO) cataliza la unión covalente del CO 2 a la ribulosa-1,5-bisfosfato (carboxilación) y la ruptura del intermediario de 6 carbonos RubisCO 560 kda, 8 subunidades Constituye el 50% de las proteínas del estroma

44 FASE DE REDUCCIÓN Y PRODUCCIÓN DE TRIOSA FOSFATO (G3P) El 3-fosfoglicerato se convierte en otra molécula de 3C, el gliceraldehído 3-fosfato: 1. La 3-fosfoglicerato cinasa cataliza la transferencia de un grupo fosforilo desde el ATP al 3-fosfoglicerato (1,3-bifosfoglicerato) 2. El NADPH dona electrones en una reacción catalizada por la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (gliceraldehído 3-fosfato) En estas reacciones se produce ADP, Pi y NADP +, que pueden ser usadas en la fase luminosa de la fotosíntesis para producir NADPH y ATP

45 REGENERACIÓN DEL ACEPTOR DE CO 2 La mayoría del gliceraldehído 3-fosfato se convierte en RuBP, pero otras moléculas de este compuesto dejan el Ciclo de Calvin para alimentar otras vías de síntesis de compuestos orgánicos más complejos.

46 DURANTE LA REGENERACIÓN DE RuBP (Ribulosa 1,5-bifosfato) SE PUEDEN OBTENER INTERMEDIARIOS DE TRES, CUATRO, CINCO, SEIS Y SIETE CARBONOS A TRAVÉS DEL ACCIÓN DE TRANSALDOLASAS (Lys) TRANSCETOLASAS (TPP)

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48 PARA LA CONVERSIÓN DE TRES MOLÉCULAS DE CO 2 Y UNA MOLÉCULA DE FOSFATO EN UNA MOLÉCULA DE TRIOSA FOSFATO ES NECESARIO DAR TRES VUELTAS AL CICLO DE CALVIN

49 3 ACEPTORES 3 CO 2 SE REQUIEREN: 9 ATP 6 NADPH 1 TRIOSA

50 4 fotones/nadph

51 Sacarosa (transporte) Almidón (Almacenaje) Celulosa (Pared celular) Hexosas fosfato Triosas fosfato Pentosas fosfato Metabolitos intermediarios La síntesis de ATP y de NADPH durante la fase luminosa proporciona energía y poder reductor para la fijación de CO 2 en TRIOSAS, precursores de todos los compuestos carbonados de las células vegetales

52 DESTINOS DE LAS TRIOSAS FOSFATO Las triosas fosfato Sintetizadas en el Cloroplasto pueden Transformarse en Glucosa y después en ALMIDÓN Pueden transportarse hacía el citosol y transformarse en sacarosa (glucosa y fructosa) Síntesis de Celulosa en la membrana plasmática

53 6H 2 O + 6CO > C 6 H 12 O 6 + 6O 2 OXIDACIÓN REDUCCIÓN Agente reductor oxidante