3.1:Fotosíntesi: reaccions llumíniques (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad de Girona (UdG)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Fisiologia Vegetal
Año del apunte 2014
Páginas 10
Fecha de subida 25/11/2014
Descargas 18

Vista previa del texto

Tema 3: Metabolisme vegetal 3.1: Fotosíntesi: reaccions lumíniques Elements bàsics  llum, CO2 i aigua.
S’obté glucosa, O2, energia i poder reductor.
El primer en fer relacions entre planta-llum va ser Aristòtil. Jan Tangen Harris (1730-1799) va descobrir que les plantes donaran per respirar a l’animaló si hi havia llum. L’energia de la planta introdueix l’energia de la llum (sol) al sistema (base xarxa tròfica).
La respiració aeròbica és més eficient que anaeròbica.
Després de ............., .............. ................ va fer la primera equació: Aire fixat + aigua  (llum)  matèria orgànica + aire vital nCO2 + nH2O (llum) (n(H2O)m + nO2 + ∆t Durant 100 anys es va mantenir fins 1920, Van Niel, treballant amb bacteris vermells del sofre (donador d’electrons).
CO2 + 2 H2S  C(H2O)2 + 2S CO2 + 2H2O  C(H2O)2 + O2 1937, Rober Hill proposa A= acceptor de Hill  eren al acceptor 2H2O + 2A  2H2A + O2 1941 Rober i Kanen treballant amb isòtops, O18 i marcaven O2 de l’aigua, i sortia posteriorment l’oxigen marcat i si el marcaven del CO2 sortia a la matèria orgànica.
Amb això van avançar molt en la fotosíntesi.
Reacció Hill  2H2O + 2NADP+  NADPH + 2H+ + O2 1) No és necessària la cèl·lula sencera ( no cloroplast) perquè tingui lloc alguna reacció de la fotosíntesi (es treballava amb la matèria interna del cloroplast a l’estroma).
2) L’alliberació O2 no està directament lligada a la fixació de CO2.
Estructures de l’aparell fotosintètic - Fulla, tija, arrel, fruits, cotiledons.
La grandària del cloroplast és variable depenent de la cèl·lula.
En el cloroplast hi ha compartiments amb membranes i n’hi ha 3: - Entre membranes (doble m. Lipídica) Espai intratilacoïdal El tilacoide té compartiments diferents: de grana i d’estroma ( no apilats i en contacte amb l’estroma) Cada compartiment té característiques fisicoquímiques diferents. L’espai intermembrana i el citosol són els més semblants ja que estan més en “contacte”. Depèn de com la membrana serà més permeable o no.
La membrana exterior actuen molt poc depenent de les molècules. A cap hi ha fotosíntesi, està lligada a les internes.
Composició de les membranes dels tilacoides 50% proteïnes  moltes transportadores 50% lípids  20% clorofil·les, 3% carotenoides, 77% diglicèrids (80% galactolípids, 7% sulfolípid, 7-10% fosfatidilglicerol).
Fluïdesa membrana tilacoidal Àcid oleic, àcid linoleic i àcid linolènic. Són àcids grassos insaturats, tenen dobles enllaços, cosa que permet la fluïdesa de la membrana.
Com més insaturats estiguin més fluïdesa tindrà la membrana (ex: oli és molt insaturat).
Com menys temperatura tingui menys fluid serà, per tant si augmenta la T més fluïdesa.
Regular els àcids grassos és important per la fotosíntesi.
Pigments fotosintètics La clorofil·la A i els carotenoides es troben en tots els organismes fotosintètics.
L’estructura tridimensional de la clorofil·la té una part linial i un cap format per un tetrapirrol amb molècul·les amb un centre de magnesi. Aquestes estructures tenen molts enllaços dobles (conjugats, 1 sí i un no), més de 7 i es considera que la molècula és capaç d’absorbir la llum i amb <7 agafen les ones amb menys λ (+ energètiques).
La cua és carotenoide i molt hidrofòbica (20C) amb grup hidroxil i permet adherir-se a dominis hidrofòbics (fa funció d’anclatge) i parts lipídiques de la membrana.
La clorofil·la A té metil com a substituent de l’anell 2 i la B un grup aldehid (CHO). Per això una és més polar que l’altre. B>A.
La clorofil·la B té menys espectre d’absorció pel seu grup aldehid.
Els carotenoides tenen naturalesa terpenoide (=que fitol). Són polímers d’isoprè (5C). A les plantes n’hi ha molts i només elles les sintetitzen per dues vies: La primera via utilitza el MEP que és un precursor important per formar isoprè. El GA3P (cicle de Calvin) + piruvat formaran el MEP, que passarà a isoprè i anirà al citosol on s’activarà amb un fosfat (isopentanil difosfat) que es farà dimetil alil difosfat i serà l’isòmer del anterior.
Formen monoterpens.
x4 isoprens  geranil-geranil difosfat (20C)  diterpens  fitol(clorofil·les) i giberalines.
X2 geranil (GG2P)  fitsè  40C fan dessaturacions i així formen 2 enllaços que són importants per fotosíntesi.  licopè  alfa carotè i beta carotè  ciclació externes.
Depenent d’aquests passos hi pot haver oxidacions i determinen dos grans tipus de compostos: - Carotens: C,H - Xantofil·les: C,H,O Aquests dos són carotenoides  formes bàsiques de carotè A l’alfa carotè es fan les xantofil·les de luteïna i la B zeaxantina, violaxantina, astaxantina, neoxantina, entre d’altres.
Els carotenoides absorbeixen el blau (400-500nm) i les seves funcions són: - Absorció de la llum - Fotoprotectors (cicle de les xantofil·les). Si no hi ha la clorofil·la queda la planta blanca o groguenca perquè s’oxiden les clorofil·les (foto oxidació).
Llum i foto excitació dels pigments Llum  radiació electromagnètica. 700 -400nm. Es comporta com a ona o com a partícula (fotó). E=h*ʋ  ʋ=c/λ. Cada λ té E determinada. Com menys longitud d’ona més energètic.
E d’un mol de fotons de llum vermella (680nm)  1.75*105J/mol.
Per 1 fotó s’hauria de dividir per el nombre d’Avogadro i així sabríem E per un fotó.
Al migdia solar hi ha uns 2000µmol de fotons/m2s  900w/m2.
Una part reflecteix i l’altra transmet i un 85% absorbeix ±5% mat org.
Llum i fotoexitació Les clorofil·les quan reben fotons els electrons passen a un nivell superior d’energia. Depenent de la longitud d’ona anirà a un nivell més i així l’electró té opció d’excitar una altra molècula. Si fa això haurà de tornar a l’estat fonamental i tornar a ser a l’estat normal.
Π* són més energètics i un e del π passa al π* (2e com a molt). Això augmenta la probabilitat que impacti un fotó. Quan el doble enllaç és conjugat encara augmenta més la probabilitat. Si hi ha doble enllaç més probable és que es necessiti menys energia.
*Les diferències entre extraccions de pigments afecta en l’absorbància i per això s’observen diferents absorbància.
El retorn de l’estat fonamental o “quenching”: - Extinció no fotoquímica: s’emet energia.
o Un clorofil·la transfereix E a una altra (complex antena): Per resonància (exemple diapasons, si es fa vibrar un el següent sonarà si estan ben col·locats i pròxims). La llum excita una clorofil·la i pot transmetre l’energia. Cl B Cl B.
o Per emisió de llum o fluorescència: Sempre longitud d’ona més llarge que la llum absorbida. Les clorofil·les només floreixen al vermell i al emetre fluorescència es perd energia. Aquesta llum la pot captar una altra clorofil·la.
Cl B  Cl A.
o Tranferència d’E a l’O2: Es forma oxigen sinlget (O2*, * O2, 1O2, que forma part del ROS  reactive oxigen species). Les Cl* transefereixen E a l’O2 i passa a ser excitat. Serà més reactiu i aquest oxidarà una molècula amb 2 enllaços (propietat de ROS) i actuarà en la clorofil·la, que té doble enllaç i es fotoxidarà. Aquest O2* pot afectar negativament la cèlul·la i pot ser que evitin formar-lo.
o Per emisió de calor (cicle xantofil·les): Per evitar l’O2* i per això hi ha pigments que absorbeixen l’energia de la clorofil·la i l’agafen els carotenoids, que no poden passar l’energia a l’O2, i emetran infraroig per protegir i per desfer aquesta energia.
El cicle de les xantofil·les està fet per tres carotenoids (xantines) i quan hi ha excés de llum la violaxantina passa a ser antenaxantina i després passa a ser zeoxantina, es va reduïnt.
Com més llum més reducció. Quan ja no hi ha tanta llum la zeaxantina torna a ser anteraxantina, i si disminueix encara més la llum torna a violaxantina. La zeaxantina és la que absorbeix l’energia de la - clorofil·la i torna a l’estat fonamental amb l’emissió de calor. Amb això eviten la presència de O2.
Si no fan funcionar això l’O2* podria danyar a la planta. Si hi ha molta fluorescència pot ser que la planta tingui problemes. Les plantes van equilibran els nivells dels elements per estar protegides durant el dia.
Extinció fotoquímica: produeix fotosintètics  hi ha reaccions químiques.
La clorofil·la està excitada i l’e salta a un acceptor d’e i a la clorofil·la se li haurà de retornar un electró. Quan perd l’electró canvia les seves propietats. Aquí una altra molècula ha de donar un electró a la clorofil·la per tornar a l’estat fonamental. En canvi a les exxtincions no fotoquímiques la clorofil·la queda estable, és a dir, no varia el nombre d’electrons.
Ex 1: En la no fotoquímica hi ha transferència d’energia, en la fotoquímica d’electrons.
Ex 2: la transformació d’energia lumínica en química té lloc a l’extinció fotoquímica.
Els pigments treballen coordinadament. Si ho fessin independentment cada un tindria una cadena de transport associada, a més, a cada clorofil·la només hi pot haver un o dos fotons cada segon i la transferència d’aquest serà molt ràpida però la cadena de transport estaria parada esperant que es transferís aquest per després arribar-li el següent.
Al estar coordinades es transfereixen energia entre elles i la cadena estarà en funcionament continu i no s’esperen 1s. Poden estar coordinades unes 200-300 clorofil·les. Es passen per florescència.
La llum vermella és captada per la clorofil·la que són més eficients transferint energia. En canvi, la llum blava és captada pels carotenoides, que agafen més llum de la que s’utilitza per fotosíntesi. A més, la transferència entre xantofil·les i clorofil·les no és molt eficient. A la gràfica no es solapen perquè la llum blava es transforma en vermella.
És un procés direccional i irreversible  la calor es despren i no es torna a afegir al sistema i per això ve a parar al centre de reacció.
Foto I  P700  LHCI (col·lectors de llum) Foto II  P680  LHCII Fotosistemes  Estan al voltant del centre de reacció.
Els grans complexes relacionats amb fotsíntesi són els fotosistemes el citocrom C.
Transport electrònic fotosintètic i fotofosforilació En primer terme la molècula que accepta electrons és el NADP+ (oxidat) i la donadora és l’aigua. De forma espontània l’aigua no donaria els electrons al NADP +. Necessiten energia perquè és en contra de gradient. De + a -.
L’energia és agafada per la clorofil·la i pot fer les reaccions. Es necessita energia perquè l’aigua dóna electrons al NADP+. Per això la clorofil·la cedeix l’electró ja que serà més reductora.
Perquè un electró faci el viatge es necessiten els fotosistemes I i II i el citocrom, i es necessiten 2 fotons ( un a cada fotosistema).
Fotosistema II  tilacoides de grana Fotosistema I  tilacoides d’estroma (no apilats) Citocrom B6F  a tot arreu ATPsintasa  on està el foto II Hi ha transport físic que transporta molècules d’un tilacoide a l’altre (gran importància dels àcids grassos). Les molècules no van d’un a un sinó que pot variar en una planta.
La transferència d’e a nivell del Foto II. Les molècules estan orientades, uns a prop l’estroma i les altres a l’espai intratilacoïdal. Té proteïnes D1 i D2 i destaquen perquè s’associa en el P80 (centre de reacció) i és capaç de cedir i captar electrons i també s’hi troba Yz (donador d’electrons). També hi ha 2 proteïnes d’unió, citoquinones que no sempre seran les mateixes o hi estaran o no i seran semi-oxidades o reduides.
B559 no es sap la funció que fa, es com que desestabilitza el sistema.
El complex lític de l’aigua (fotoxidant) es troba també associada.
Funció P680  oxidació de l’aigua i reducció de les plastoquinones. Perd electró i l’ha de recuperar. Aquí s’activa la fotosíntesi, quan s’activa el P680.
Model fotoxidant de l’aigua  model rellotge de Joliot-Kok 1970.
Per electró i s’oxida. Quan passa s4 és molt oxidant i té capacitat per agafar electrons molt alta. Es trenquen 2 aigües i es recuperen electrons i s’allibera O2. *quan salta un H+ salta un e.
La llum fa que P680 alliberi electrons i es desencadenin les reaccions. El complex fotooxidat de l’aigua té 4 Mn. Cada electró que salta va al P680 oxidat i s’eviten electrons deslocalitzats.
La primera molècula acceptora és la pheophytin A que té estructura semblant a clorofil·la però no té l’àtom de Mn central. És capaç de captar e i el transfereix a les plastoquinones (a diferència dels mitocondris) que tenen un anell cromàtic i es troba a la part lipídica de la membrana. Poden estar en estat fonamental o ser semiquinona (semireduït) que passarà a hidroquinona (totalment reduït). Q 1 e Q- 1e i 2H+  QH2. És reversible.
Al final les quinones passen a semireduïda i el P680 és excitat constantment i per això en un moment es trobarà QB- (semireduïda) i la QA- transfereix e a QB- i aquesta serà hidroquinona i ja no pot mantenir-se unida i salta (li canvien propietats) i llavors la substituirà una altra Q B oxidada. Hi ha moltes QB en el sistema.
Els 2 H+ provenen de l’estroma ja que estan a l’altre punta del complex fotooxidant. Les QH2B anirà a l’espai intermembrana i seran oxidades al citocrom b 6f i alliberen e i H+.
Els electrons que perd el P680 són retornats per l’aigua i les quinones reduïdes entraran a l’ambient hidrofílic de la membrana fins al citocrom 6f. S’ha de reduir, llavors el procés és el cicle de les quinones: Porta un conjunt de proteïnes en la transferència d’electrons situats més propers a l’espai tilacoïdal, on hi ha un nucli de Fe-S i el citocrom f. El S solen ser els de les cisteïnes i el citocrom f. Més a la part de l’estroma hi ha citbf i ctba i a una banda un lloc d’unió per QH2 (reduïdes) i un altre per Q oxidades. A més hi ha un lloc per plastoquinona oxidada (PC). Quan canvia l’estat red-ox salten les molècules. QH2  Q + 2e- + 2H+.
Una hidroquinona reduïda feta al P2 porta 2e, un passa per la via Fe-S segons el potencial redox i es sap quina molècula ha d’anar. L’altre anirà a la PC (plastoquinona), la reduïda salta i una altra PC la substitueix. L’altre electró va a passar a la Q que passarà a Q-*(semireduïda). Els dos H+ van a l’espai intratilacoïdal.
La QH2 un cop cedit els electrons i H+ passa a ser oxidada Q. Això és continu i entra una segona, que repetirà el mateix. A més, pel Fe-S i al següent es troba una PC i tal fins que arriba a la Q -* i passarà hidroquinona. Balanç general serà: QH2  Q + 2e(PC) +4H+ (espai intratilacoïdal) No és equilibri bioquímic, és per veure el balanç.
Per cada QH2 s’acumulen 4H+ a l’espai intratilacoïdal.
La PC és el que continuarà el procés. Entren a l’espai intratilacoïdal i és per on viatgen fins al P1, localitzat a l’estroma exposat del tilacoide. Presenta el P700, centre de reacció, i proteïnes de 66-70KDa que porten acoplada part dels pigments del complex antena i A 0 i A1 (clorofil·la i vit A1 o fitoquinona). La A1 portava una proteïna de 19KDa que té lloc d’unió per PC reduïda i també un lloc d’unió en una altra proteïna (ferredoxina) amb uns nuclis de Fe-S. El centre de reacció és un dímer de clorofil·la.
S’excita A0 per la PC- i es transfereixen linialment electrons. Un cop P700 passa l’electró a la ferredoxina aquesta es redueix i es torna soluble, cosa que farà que passi a l’estroma. Es torna una molècula molt reductora. Al passar a l’estroma la ferredoxina passa l’electró al NADP +, que necessita 2e i 1H+ per passar a forma reduïda. La ferredoxina NADP reductasa (enzim) ajuda a reduir la NADP+. Agafen protons de l’estroma, agafen l’electró de la ferredoxina, que al ser continu es van formant ferredoxina reduïda i n’hi actuen 2 (2e) i redueixen el NADP+ a NADPH. El procés es produeix dues vegades per fer 1 NADPH.
Preguntes 1) Quants electrons es necessiten? 2 electrons 2) Quants oxigens s’obtenen? Mig oxigen ja que actua 1 H2O 3) Quants fotons i quina longitud d’ona màxima es necessita per reduir un NADP +? 4 fotons, 2 per cada electró que ha de saltar  P680, P700 4) Quina és l’energia mínima absorbida pel sistema per reduir NADP +? 1 electró  P608  175KJ/mol  P700  171 KJ/mol - total = 346KJ/mol (eq. De Planck) 1 NADPH  2 e-  92KJ/mol  si NADPH=218  31.5% d’energia. De l’energia que surt es reserva un 31.5%. No és molt eficient. La resta d’energia es reserva a l’espai tilacoidal (poder reductor).
El cicle de les Q serveix per generar poder reductor (H + a l’espai intratilacoidal). Aquest espai és més petit i per això 4 protons canvien molt el pH. Si anèssin a l’estrroma (espai més gran) no es veure gaire afectat.
5) Quants protons guanya l’espai intratilacoidal per molècula de NADPH generada? 4+2 de l’aigua  6 H2O + 2e- + NADP+ (4 fotons)  ½ O2 + NADPH............
La finalitat és generar NADPH (poder reductor) i emmagatzema energia. La ferredoxina també té capacitat de reduïr les quinones. Lligat al transport cíclic és capaç de donar electrons a les Q i aixó genera un cicle.
A l’acíclic els dóna al NADP+. La seva finalitat és generar un potencial de membrana (reserva energètica).
La ferredoxina reduïda també pot transferir electrons a l’oxigen i forma O 2- anió superòxid  +1 electró, i es torna molt reactiu. El sistema té mecanismes per evitar danys: actua sintetitzant enzims per degradar la molècula  superòxid dismutasa que catalitza el pas de superòxid a peròxid (H2O2) i després la catalasa trenca l’H2O2 per fer H2O + O. La reacció relacionada amb la ferredoxina és la reacció de Mehler.
...