XVII Carnaval Biología: Nuevo avance en la biofísicoquímica de la fotosíntesis en las plantas

Lo primero, te recomiendo ver el Discurshow “Protón” de Xurxo Mariño y Vicente de Souza, aunque no mencionen la fotosíntesis, en la que el protón tiene un papel fundamental. La fotosíntesis transforma la luz del Sol en energía química a partir de dos moléculas de agua, que se descomponen en una molécula de oxígeno O2, junto a cuatro protones (núcleos de hidrógeno o iones H+) y cuatro electrones. La fotosíntesis en cianobacterias, algas y plantas se denomina fotosíntesis oxigénica y se basa en el llamado sistema fotosintético tipo-II, o fotosistema II (PSII); la secuencia de pasos de esta reacción bioquímica se llama ciclo de Kok (1970) y está catalizada por un complejo Mn4Ca, formado por cuatro átomos de manganeso y uno de calcio. Gracias a las técnicas de espectroscopia se conoce bastante bien su funcionamiento en las escalas de picosegundos, con algunos detalles incluso en la escala de femtosegundos. La reacción química global es 4 YZ(ox) + 2 H2O → 4 YZ(red) + 4 H+ + O2, donde la absorción de fotones con una longitud de onda alrededor de 680 nm oxida cuatro moléculas de tirosina, YZ(ox), que actúan a su vez como oxidantes de cuatro moléculas de agua; en este proceso 4 electrones del complejo Mn4Ca se transfieren a las cuatro tirosinas, resultando cuatro YZ(red), mientras que cuatro protones H+ son eliminados del complejo MMn4Ca mediante un proceso de desprotonización (la figura de arriba, parte derecha, muestra los pasos del ciclo de Kok y sus escalas de tiempo). Un nuevo artículo publicado en PNAS ha estudiado en detalle el proceso de transferencia de electrones y protones, rellenando algunos huecos en nuestro conocimiento de esta interesante reacción bioquímica. Hace poco un lector de este blog me pedía que le describiera los detalles cuánticos de la fotosíntesis. Viendo las figuras de esta entrada se puede ver que para entenderlos hay que ser un experto en biofísicoquímica cuántica y yo no lo soy. Aún así, los expertos disfrutarán el artículo de André Klauss, Michael Haumann, Holger Dau, “Alternating electron and proton transfer steps in photosynthetic water oxidation,” PNAS 109: 16035-16040, October 2, 2012.

Entrar en detalles técnicos sería meterme en camisa en once varas, pero quizás conviene poner un ejemplo del nivel de detalle con el que conocemos estas reacciones químicas. Por ello, incluyo aquí esta figura que muestra uno de los pasos del ciclo clásico de Kok de oxidación fotosintética del agua, el paso S2 → S3. Se muestra el complejo Mn4CaO5, la tirosina con actividad redox (Tyr161) y los grupos más importantes que rodean a los enlaces de hidrógeno en esta reacción. Los aminoácidos que se destacan forman parte de la subunidad D1 del PSII, con la excepción e CP43–Arg357. Las moléculas de agua se indican con esferas rojas, los enlaces de hidrógeno con línea a trazos y los protones son esferas grises. La retícula tridimensional en gris representa el complejo de moléculas de agua que incluye 4 HxO en la primera esfera de coordinación del manganeso (Mn4), así como el calcio (Ca) y las tres moléculas de agua de la segunda esfera de coordinación. El primer paso en esta reacción (“1st” en la figura) ocurre cuando han pasado menos de 100 ns tras la absorción del fotón y la oxidación de la clorofila primaria del PSII (P680); en este paso Tyr161 (YZ) es oxidada por P680+. La formación de YZ(ox) produce un reordenamiento de la red de enlaces de hidrógeno (que se completa en menos de 1 µs), conduciendo a la transferencia de un protón a His190, desprotonizando una molécula de agua en el complejo mostrado en la retícula tridimensional gris. En el segundo paso de esta reacción (“2nd” en la figura), el complejo Mn/YZ pierde un protón en alrededor de 30 µs y se produce la vacante de un protón en el complejo de agua. En el tercer y último paso (“3rd” en la figura), en alrededor de 300 µs, la oxidación del manganeso se acopla al paso de transferencia de un protón que ha creado una vacante en el complejo del agua.

Los mecanismos moleculares de las reacciones (foto)químicas del fotosistema II (PSII) se ha estudiado desde los años setenta y se conocen con bastante detalle. La estructura del PSII se determinó por difracción de rayos-X en el año 2004 y contiene unas 20 subunidades proteicas, conocidas como PsbA-Z, en función del nombre de los genes que las codifican, además de un conjunto de cofactores como son las clorofilas (Chl), feofitinas (Phe), carotenoides, hierro, plastoquinonas, complejo de iones Mn (Mn4) y los iones Ca, Cl y HCO. La masa molecular aproximada del PSII es de 320 kDa. Los interesados en más detalles técnicos (en español) pueden recurrir, por ejemplo, al capítulo 2 de la tesis doctoral de Mónica Balsera Diéguez, “Análisis estructural de la proteína extrínseca PsbQ del fotosistema II de plantas superiores,” Universidad de Salamanca, 2004.

Esta entrada participa en el XVII Carnaval de Biología, organizado este mes por el blog “Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión,” cuyo autor @Ununcuadio es buen seguidor de mi blog.

9 Comentarios

Participa Suscríbete

danieldaniel

Ambos estais equivocados: el ciclo de la fotosíntesis es el ciclo de Calvin. Pero es la primera vez que oigo el ciclo de Kok.
Por cierto, se suele decir que el proceso global de la fotosíntesis es:
6 CO2 + 6 H2O —> C6H12O6 + 6 O2
Pero a esa ecuación le pasa algo:
1- Si el O2 proviene del agua sólo podríamos formar 3 moléculas de O2, no 6.
2- Los 6 CO2 sólo aportan 6 oxígenos a la molécula de glucosa (C6H12O6). ¿Dónde van el resto de átomos de oxígeno del CO2?. Sabemos por multitud de experimentos desde hace años que el CO2 no aporta átomos de oxígeno para formar O2, sino que todo el O2 provien del agua. Por tanto la ecuación completa se suele escribir de esta otra forma:
6 CO2 + 12 H2O —> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Ahora 12 moléculas de agua forman 6 moléculas de O2, pero sobran 12 protones, que acaban formando 6 moléculas de agua al unirse a 6 oxígenos de los 6 CO2.

tinoco anttinoco ant

como el agua es agua se deduce que es necesaria pero en el sistema aunque participan 12 mol se dicta que lo gastado son solo seis por eso la primer formula es la correcta

César

Esta afirmación “La fotosíntesis transforma la luz del Sol en energía química a partir de dos moléculas de agua, que se descomponen en una molécula de oxígeno O2, junto a cuatro protones (núcleos de hidrógeno o iones H+) y cuatro electrones.” suena rara pero es correcta. Estamos habituados a ligar la fotosíntesis con la fijación de carbono en paralelo (ciclo de Calvin).

Hay un par de matizaciones, sin embargo, que tampoco tienen mayor importancia.

· “La fotosíntesis en cianobacterias, algas y plantas se denomina fotosíntesis oxigénica y se basa en el llamado sistema fotosintético tipo-II, o fotosistema II (PSII)” Tanto el sistema fotosintético I como el II están presentes en cianobacterias y cloroplastos. De hecho, se necesitan ambos para la fotosíntesis oxigénica.

· Lo que se llama ciclo de Kok es a la sucesión de estados de oxidación del manganeso.

emulenewsemulenews

Gracias por la aclaración, César. Los que solo estudiamos química en primero de carrera a veces metemos la pata en estos asuntos.

danieldaniel

Hola César. A mi la que me suena rara es la afirmación: “Estamos habituados a ligar la fotosíntesis con la fijación de carbono en paralelo (ciclo de Calvin).” La fotosíntesis es el proceso completo de síntesis (como su nombre indica) de moléculas orgánicas a partir de energía lumínica. La fotosíntesis tiene dos fases: la fase luminosa donde se produce la fotólisis del agua, y la fase oscura en la que se incorpora el CO2 para formar gliceraldehído 3-fosfato, y a partir de éste sacarosa y almidón. Tal vez querías decir que estamos habituados a ligar la fotólisis con la fijación de carbono. La fotólisis y la fijación forman parte de la fotosíntesis, que es el proceso global.

tinoco anttinoco ant

en la fotolisis tambien participan tres mol de agua pero se restituye una por eso se dice que lo global gastado son dos, el ciclo de cok no explica esto .

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>