Temas 2 - 3.1 (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad Complutense de Madrid (UCM)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Fisiologia Vegetal
Año del apunte 2017
Páginas 11
Fecha de subida 21/07/2017
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El tema 1 es una introducción prescindible, por lo que los temas de metabolismo van del 2 al 10.

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TEMA 2. CLOROPLASTOS Los cloroplastos son orgánulos propios de celulas vegetales.
Ultraestructura: una membrana externa poco selectiva y otra interna muy selectiva al paso de sustancias. El interior esta relleno de un componente rico en enzimas y de una serie de membranas adicionales que forman un sistema de sacos interconectados entre si denomidados tilacoides. Los tilacoides tienen una sola bicapa lipidica muy selectiva al paso de sustancias que separa el estroma del lumen del tilacoide. Los tilacoides estan formados por dos estructuras principales: grana (sacos cerrados sobre si mismos e interconectados) y lamelas que conectan grana.
Función: fotosintesis, asimilacion de compuestos (N, S, C) y almacenamiento de sustancias de reserva energetica (almidon).
En la membrana tilacoidal encontramos diferentes proteinas implicadas en la fotosintesis: 1. Fotosistemas (PII y PI). Es donde se produce la excitación de los pigmentos primarios y la transformacion de energia luminica en quimica. PII inicia la cadena de transporte de electrones y el PI la finaliza.
2. LHC (Light harvesting complexes). Son los complejos antena formados por multiples polipeptidos asociados con pigmentos accesorios que transfieren la energia luminica hacia los fotosistemas.
3. Complejo citocromo/B6f. Proteinas que participan en el transporte de electrones de un fotosistema a otro.
4. ATP-sintasa. Complejo multiproteico que aprovecha el gradiente de protones generado por cit/b6f y fotosistemas para sintetizar ATP.
TEMA 3.0 FASE LUMINICA. LUZ Y PIGMENTOS ¿Qué es la luz? La luz tiene dualidad onda-corpusculo, es decir, puede transmitirse por un medio como onda electromagnetica con un campo magnetico asociado a un campo electrico perpendicularmente o puede actuar como particula en determinadas circunstancias. Nosotros nos centraremos en la propiedad de onda. Cada onda tiene una frecuencia, una longitud, una velocidad y una energia determinadas por E = hc/long. Las longitudes de onda interesantes para la vida vegetal son las comprendidas dentro del visible (400-700 nm).
Los pigmentos son las moléculas que absorben luz. Pueden ser primarios o secundarios.
– Pigmentos primarios: absorben luz del visible y llevan a cabo una reacción fotoquímica, es decir, transforman energía lumínica en energía química. Clorofilas con anillo de porfirina (a con grupo metilo; b con grupo aldehído) y un resto fitol para anclarlas a la mb tilacoidal.
– Pigmentos secundarios: absorben luz del visible pero no llevan a cabo reacción fotoquímica, simplemente transfieren la energía del fotón a otras moléculas hasta alcanzar un primario. Carotenoides con dobles enlaces conjugados (carotenos sin OH; xantófilas con OH).
Absorción de fotones por una molécula de pigmento: cuentan con un sistema de dobles enlaces conjugados que absorben luz del visible. Los fotones del visible interaccionan con los electrones de los átomos que participan en los dobles enlaces conjugados excitándolos y pasando de un estado basal de baja energía a un estado excitado equivalente a la energía que portaba el fotón absorbido.
Este estado excitado es energéticamente inestable, por lo que tenderá a volver a su estado basal, sin embargo, pueden existir otras moléculas capaces de captar el electrón excitado y reducirse. Para volver al estado basal emite energía en forma de calor o de fluorescencia.
Esta gráfica muestra la excitación de una molécula de clorofila con los dos máximos de onda que es capaz de absorber (azul de 430 nm y roja de 660 nm).
La luz de 430 nm es muy energética y transfiere un electrón basal de la clorofila hasta un estado excitado llamado nivel 1. Este nivel energético es inestable, está alejado del nivel basal, por lo que tiene que volver a su estado fundamental. Para ello emite energía en forma de calor hasta alcanzar un nivel inferior, el nivel 2 de energía. El tiempo que está en estos dos niveles es del orden de 10-12 ms por lo que tiende a perder energía en forma de calor rápidamente. Desde el nivel 2 pasa al nivel 3 donde el electrón se encuentra en un estado más estable capaz de mantenerse más tiempo (10-8 ms). Durante ese tiempo puede ceder su electrón excitado a otro compuesto susceptible de ser reducido, en cuyo caso la molécula de clorofila pasaría a estar oxidada. Sin embargo, si pasa el tiempo y no hay ninguna molécula que capte el electrón emitirá energía en forma de fluorescencia, es decir, emitiendo luz de longitud de onda mayor y menor energía, concretamente longitudes de onda del rojo (695 nm).
La luz de 660 nm porta menor energía que la de 430 nm por lo que el salto de orbital será al nivel 2 en vez de al 1. A partir de aquí ocurrirá exactamente lo mismo que en el proceso anterior.
Los pigmentos fotosintéticos pueden perder la energía de excitación mediante 4 procesos: 1. Re-emisión de un fotón por fluorescencia.
2. Emisión de calor.
3. Transferencia excitónica: transferencia de energía de excitación a otra molécula.
4. Vía fotoquímica: transferencia del electrón excitado a otro compuesto.
En el fotosistema es donde se da la reacción fotoquímica. En el fotosistema II la reacción es llevada a cabo por el pigmento P680 y en el fotosistema I por el pigmento P700. Son moléculas de clorofila a especiales posicionadas en una zona determinada cercana a un compuesto aceptor de electrones.
a) P680 es un dímero de clorofila a que absorben a un máximo de 680 nm.
b) P700 es un dímero de clorofila a que absorben a un máximo de 700 nm.
• La diferencia de absorción se debe al tipo de unión entre las dos moléculas de clorofila.
• Sólo se puede dar la reacción fotoquímica a máxima eficacia con electrones de longitud de onda de 680 o de 700 nm, lo que reduce la probabilidad de que un fotón de esa longitud de onda incida sobre los dímeros de clorofila.
• Existe una cadena de transferencia excitónica entre distintos pigmentos secundarios hasta llegar a los pigmentos primarios (dímeros de clorofila) que absorben longitudes muy variadas y que aumentan la eficacia del proceso transfiriendo la energía de excitación de un pigmento a otro hasta llegar a los P680 y P700.
Ultraestructura general del complejo fotosintético: 1. LHC ó complejo colector de luz ó antena extrínseca: polipéptidos unidos a pigmentos primarios y secundarios, de unión no permanente al fotosistema.
2. Antena intrínseca: polipéptidos (CP) unidos a pigmentos primarios de unión permanente al centro de reacción.
3. Centro de reacción: polipéptidos unidos al dímero de clorofila-a.
Interacciones entre LHC-Antena intrínseca-Centro de reacción: La transferencia excitónica se basa en la premisa de que la energía que porta un excitón conforme se transfiere se va perdiendo en forma de calor, por lo que los pigmentos se organizarán de tal forma que permita la transferencia de un pigmento a otro capaz de absorber excitones de menor energía que el primero. El esquema de transferencia excitónica general sería: Carotenoides (445-475) > Clorofila-b (640) > Clorofila-a (660) > Dímero de Clorofila-a (680) Ultraestructura del fotosistema II: 1. LHC-II: formado por polipéptidos de a-e y pigmentos asociados a ellos. Los polipéptidos d y e sólo están presentes en bacterias. El más abundante es el LHC-IIb que se asocian formando trímeros. Cada polipéptido b está compuesto por 232 aminoácidos, un lípido de anclaje a la membrana y cromóforos (8 Chl-a, 6 Chl-b y 4 carotenoides).
2. Antena intrínseca (CP: clorophyl protein): formado por los dos polipéptidos CP47 y CP43 más sus pigmentos asociados.
3. Centro de reacción: polipéptidos unidos al dímero de clorofila-a de 680 nm.
TEMA 3.1 FASE LUMÍNICA DE LA FOTOSÍNTESIS. TRANSPORTE DE ELECTRONES 1. Hill y Scarisbrick (1930) descubren que el O2 se desprende tras someter cloroplastos o lamelas a una fuente de luz con medio acuoso. Los primeros aceptores fueron sales férricas.
2. Ruben y Kamen (1941) descubren la procedencia del O2 generado en los experimentos de Hill y Scarisbrick usando isótopos radioactivos del 18O. Demuestran que procede de la hidrólisis del agua.
3. Ochoa y Vishniac (1950) descubren el aceptor final de electrones, el NADP+.
4. Arnon et al. (1954) descubren la fotofosforilación tras el transporte de electrones.
Relacionan ambos procesos.
Figura de un tilacoide aislado. Esquema estructural y funcional.
La mb tilacoidal delimita dos espacios, el interno (lumen) y el externo (estroma). Asociados a la mb se encuentran complejos proteicos que participan en el transporte de electrones (dos que inician y terminan el transporte y otro que los conecta).
El transporte de electrones es lineal (habrá un compuesto donador inicial [H2O] de electrones y otro compuesto aceptor final [NADP+] de electrones). El donador está en el lumen y el aceptor en el estroma.
La hidrólisis del agua implica la liberación de O2 y H+. El O2 puede difundir por la mb tilacoidal pero los H+ se quedan en el lumen. También existe un transporte de H+ del estroma al lumen a partir de moléculas transportadoras de electrones que captan un electrón y un protón para reducirse, tras lo cual se oxidan transfiriendo el protón al lumen y el electrón al siguiente aceptor.
Todo esto genera un gradiente de protones que acidifica el lumen. Este gradiente se acopla a la síntesis de ATP usando la energía potencial del gradiente.
Reacciones de óxido-reducción Potencial redox estándar medio (E'o) permite cuantificar la tendencia que tiene un par redox para captar o donar electrones, es decir, da una idea de la afinidad del par. Se mide en mV.
Los E'o se tabulan en torno a unas condiciones estables de temperatura, concentración y en relación con el potencial del hidrógeno (0mV). Un par negativo tiene alto nivel de energía y se comporta como un agente reductor, donador de electrones. Para uno positivo ocurrirá lo contrario.
La variación de energía libre de Gibbs establece la espontaneidad de una reacción redox. La diferencia se calcula en función del número de electrones transferidos, de F y de la diferencia de potenciales redox estandar de cada compuesto que participa en la reacción. Si sale (-) será espontánea y si sale (+) no.
Reacción espontánea = exergónica Reacción no espontánea = energónica Reacción redox del par aceptor-donador en el transporte de electrones El par H2O/O2 tiene un potencial redox superior al par NADP+/NADPH, pero el primero actúa como donador y el segundo como aceptor, por lo que la reacción no es espontánea. Con la hidrólisis de dos moléculas de agua se obtiene una molécula de oxígeno, dos electrones y cuatro protones. Dos electrones son necesarios para reducir la molécula de NADP+, uno para estabilizar la carga y otro para unirse a un protón y dar el hidrógeno reductor.
2H2O + 2NADP+ + 4e-→ O2 + 2NADPH + 2H+ (en el caso de que agua--->NADP+) La reacción es termodinámicamente desfavorable, pero el sistema tiene truco porque existen una serie de procesos e intermediarios que participarán en la espontaneidad de la reacción. La cadena de transporte de electrones sirve para este fin.
* Esa reacción se pinta como si el agua donara directamente sus electrones al NADP+, lo que en realidad no ocurre.
La cadena de transporte de electrones general Comienza con la absorción de un fotón por el centro de reacción P680, el cual se excita y pasa a tener un Predox menor. Si tiene cerca un aceptor de electrones específico podrá transferir el electrón excitado a ese compuesto e iniciar la reacción fotoquímica. El electrón conforme va transportándose pierde energía y el Predox de los compuestos que lo van aceptando es cada vez mayor, entonces tiene que darse de nuevo otra excitación a nivel del P700. El P700 en este momento puede estar oxidado o en su estado fundamental. Si estuviese oxidado captaría el electrón de la plastocianina y recuperaría su estado fundamental. En el estado fundamental es susceptible de absorber un fotón, excitar un electrón y transferirlo al aceptor final de electrones, el NADP+.
El P680+ se estabiliza aceptando un electrón de la hidrólisis del agua.
TRANSPORTE DE ELECTRONES: COMPLEJOS PROTEICOS Y TRANSPORTE 1. FOTOSISTEMA II (Complejo agua-plastoquinona óxido-reductasa) En este complejo ocurren dos procesos que le dan el nombre: hidrólisis del agua (agua como donador) y una quinona como aceptor final de electrones. En la imagen encontramos una membrana tilacoidal en la cual se halla insertado el PII sin todos sus componentes (20 polipéptidos) donde sólo vienen representados los más útiles en cuanto a función. La antena extrínseca formada por los complejos colectores de luz (LHCII) que puede liberarse del PII por desfosforilación. Aquí está conectada. Las CP son la antena intrínseca (complejos proteicos a los que están unidas las clorofilas). Las D1 y D2 son dos proteínas homólogas entrelazadas. A estas proteínas se unen diferentes moléculas de distinta naturaleza, entre ellas P680 (dímero de clorofila-a). P680 se excita por absorción de un fotón y reduce otra molécula de clorofila desprovista del átomo de Mg llamada feofitina (Phe). Phe se reduce y cede su electrón a la quinona A (QA) que está asociada a la proteína D2, se reduce. La QA cede a QB. QB es el último aceptor de electrones del PII. Cuando se reduce se desplaza a través del PII y cede su electrón al último aceptor, la plastoquinona.
La P680 se queda oxidada (P680+) y tiene que volver a reducirse si quiere seguir activando el transporte de electrones. Lo hace gracias a la hidrólisis del agua. Las proteínas luminales O, P y Q llevan a cabo la hidrólisis del agua. Los protones liberados quedan en el lumen. Hay otra proteína que contiene un cluster de manganeso, importante en la hidrólisis.
Este esquema es funcional y muestra las reacciones de óxido-reducción que se dan en cada compartimento proteico.
La transferencia de electrones del agua al P680 no es directa, está mediada por una serie de proteínas que realizan la hidrólisis (MSP, complejo productor de oxígeno) y transfieren el electrón a un residuo de tirosina de una proteína del fotosistema, tras lo cual la tirosina transfiere el electrón a la clorofila-a del P680. La tirosina se oxida y capta un electrón de un cluster de manganeso con 4 átomos de manganeso. Va a ir acumulando déficit de carga.
En esta imagen se muestra el proceso completo de recuperación del estado basal del P680.
1. P680 absorbe un fotón y se excita.
2. P680 cede su electrón a Phe y se oxida.
3. P680 capta un electrón de un residuo de tirosina localizado en una proteína del fotosistema cercana. El P680 vuelve a su estado basal y la tirosina se oxida.
4. La tirosina capta un electrón de un átomo de manganeso del cluster, vuelve a su estado basal y el manganeso experimenta déficit de carga negativa.
5. Este proceso puede ocurrir hasta 4 veces partiendo del estado estándar del Mn hasta que el átomo de Mn alcanza un estado de déficit de 4 electrones. Será entonces cuando puede darse la hidrólisis de dos moléculas de agua. La hidrólisis libera una molécula de oxígeno, cuatro átomos de hidrógeno (H+) al lumen y 4 electrones que se emplean en reducir el Mn4+ a Mnº.
* Si no hubiese hidrólisis de dos moléculas de agua se producirían especies reactivas de oxígeno que no tardarían en desestabilizar el sistema.
* 4 átomos oxidados a la vez para hidrólisis? 2. PLASTOQUINONA La plastoquinona es el aceptor final de electrones de la cadena electrónica del fotosistema II.
Está ligada a un sitio específico del PII. Se liga cuando está oxidada muy cerca de la cara del estroma. Es una molécula que puede captar y ceder 2 electrones. Cuando capta dos electrones pierde afinidad con el PII, se moviliza y se une al siguiente complejo.
La reducción de la quinona tiene lugar a nivel de los dos oxígenos. Tiene una cola hidrocarbonada de isopreno muy larga que se repite 9 veces. Es una molécula anfipática, lo cual le permite moverse con fluidez a lo largo de la bicapa.
Suele haber un pool de quinonas por fotosistema.
Pasos en la reducción de la plastoquinona.
2.1.
Capta un electrón de la quinona B y pasa de Q a Q- (plastosemiquinona) un estado semirreducido que la sigue manteniendo unida al PII.
2.2.
Capta un segundo electrón de la quinona B y se reduce completamente captando 2.3.
dos protones del estroma.
Se desliga del PII y se une específicamente al complejo citb6/f 3. CITOCROMO-B6/F (complejo plastoquinona-plastocianina óxido-reductasa) Es un complejo proteico formado por 4 subunidades proteicas y es análogo al ubiquinolcitocromo c reductasa de la mitocondria.
1. Cyt-b6: complejo proteico que está unido a dos grupos hemo-b.
2. Proteína sulfoférrica o de Rieske: tiene átomos de Fe y de S unidos a la cadena polipeptídica.
3. Cyt-f (foliar): tiene un grupo hemo-c.
4. Proteína IV: no se conoce funcionalidad en el proceso de transporte de electrones.
5. Plastocianina: aceptor de electrones final. Es una prot que se encuentra en el plasto muy pequeña que contiene cobre (Cu), que al reducirse se desliga y se dirige al PI.
• • • Un citocromo es una proteína que contiene un grupo prostético Hemo (tetrapirrol en cuyo centro hay Fe). 2+ y 3+ Las proteínas sulfoférricas tienen en su cadena polipeptídica residuos de cisteína con restos sulfhidrilos (tiol), que pueden estar oxidados o reducidos. Los átomos de S se unen a Fe formando redes tridimensionales inorgánicos, pero el Fe sigue siendo el aceptor de electrones.
La plastocianina es el último aceptor de electrones. Tiene un átomo de cobre que participa en el proceso de transferencia de electrones con valencias 1+ y 2+.
Funcionamiento del complejo cit-b6/f * Existen dos vías de movimiento de electrones para aumentar el gradiente de protones.
* Hay dos sitios de unión a las quinonas: en la parte cercana al estroma se une la quinona oxidada y en el del lumen la reducida.
1) 2) 3) 4) 1er ciclo: PQH2 se une al sitio de unión de la cara luminal. Cede un electrón a la proteína sulfoférrica de Rieske y el otro electrón a los grupos hemo del citocromo-b. Los dos protones se escienden y van a parar al lumen.
La proteína sulfoférrica cede su electrón a la plastocianina que se encuentra unida al cit-b6/f.
El citocromo-b cede su electrón a una PQ oxidada unida al lado estromático y pasa a ser una PQ- sin desligarse.
2º ciclo: Ocurre exactamente lo mismo pero al final la PQ- semirreducida del primer ciclo acaba por reducirse completamente, se desliga de su sitio de unión y difunde por la bicapa hasta volver a iniciar el primer ciclo.
* Es un ciclo que permite incrementar el gradiente de protones al darse el ciclo de la PQ estromática. Cuando finalizan los dos ciclos se han liberado 4 H+ al lumen y se han captado 2 H+ del estroma.
* Al final de un ciclo una molécula de PC es reducida y se desliga del cit-b6/f, difunde por la cara luminal hasta alcanzar el PI.
4. FOTOSISTEMA I (complejo plastocianina-ferredoxina óxido-reductasa) El P700 se excita, cede su electrón y se oxida, es entonces cuando la PC reducida interacciona electrostáticamente con la proteína F asociada al PI y cede su electrón al P700.
Cadena de transporte de electrones del PI 1) 2) 3) 4) 5) 6) P700 se excita y cede su electrón a una molécula de clorofila-a (Ao).
Ao cede su electrón a Q (filoquinona, insertada en los polipéptidos A y B).
Q cede su electrón a unas proteínas sulfoférricas Fx de gran tamaño.
Fx cede el electrón a otras proteínas sulfoférricas de pequeño tamaño, FA y FB.
FA y FB transfieren su electrón a la Ferredoxina (Fdx).
Fdx reducida se separa del PI y se solubiliza en el estroma.
* Todas estas moléculas están insertadas en dos proteínas estructurales A y B, las mayoritarias en el complejo.
* La Fdx no puede encontrarse por difusión normal con el aceptor final de electrones de toda la cadena, es decir, con el NADP+, por lo que existe una proteína que liga Fdx y NADP+.
Esta enzima es la Ferredoxina-NADP óxido-reductasa que se encuentra en el estroma. Se necesitan dos moléculas de Fdx para reducir una molécula de NADP+.
Características generales del transporte acíclico de electrones visto hasta ahora.
Es vectorial, es decir, tiene un donador inicial (H2O) y un aceptor final (NADP+).
Participan PII y PI.
Hay producción de O2 proporcional a la velocidad de transporte de electrones.
Hay producción de poder reductor en forma de NADPH2.
Creación de un gradiente de protones con la hidrólisis del H2O (lumen) y el movimiento de las PQ.
6. Síntesis de ATP con el gradiente de protones.
1.
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5.
Otras funciones de la Ferredoxina.
• • • NO2- > NH4+ Tiorredoxinas tienen un papel importante a la hora de activar enzimas que regulan el ciclo de Calvin.
La Fdx puede interaccionar con el O2, lo reduce y forma anión superóxido, muy reactivo y se pone en marcha un proceso de oxidación. Los compuestos antioxidantes se encargan de interaccionar con estos superóxidos para formar especies menos tóxicas.
* Seminario: vías metabólicas para la detoxificación de superóxido en cloroplasto.
ESTEQUIOMETRÍA TRANSPORTE CÍCLICO PARA OBTENCIÓN DE ATP (el ciclo de Calvin requiere mayor cantidad de ATP que de NADPH) HERBICIDAS FOTOSINTÉTICOS Powered by TCPDF (www.tcpdf.org) ...

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