Fase luminosa

A fase luminosa da fotosíntese, tamén chamada fase fotoquímica, reacción de Hill ou reaccións dependentes da luz da fotosíntese, é a primeira fase do proceso fotosintético na cal as plantas, algas e algunhas bacterias captan a enerxía da luz por medio das súas clorofilas. Na fase luminosa, a enerxía da luz é convertida en enerxía química, en forma de moléculas que teñen enlaces de alta enerxía como o ATP ou poder redutor, como o NADPH. Posteriormente, na fase escura, este ATP e NAPH serán utilizados para a redución do CO2 sintetizando cos seus carbonos azucres como a glicosa. Na fase luminosa utilízase un doante de electróns, xeralmente a auga, que no proceso rompe liberando os seus compoñentes, 2 H+, electróns e oxíxeno, polo que o tipo de fotosíntese máis habitual (oxixénica) libera oxíxeno á atmosfera.
A fase luminosa ten lugar na membrana dos tilacoides dos cloroplastos. O interior do tilacoide denomínase lume tilacoidal, e fóra dos tilacoides está a parte do cloroplasto chamada estroma, onde ten lugar a fase escura. A membrana tilacoidal contén algúns complexos proteicos que catalizan as reaccións luminosas. Os catro complexos proteicos principais da membrana tilacoidal son: fotosistema I (FSI ou PSI), fotosistema II (FSII ou PSII), complexo do citocromo b6f, e a ATP sintase. Estes catro complexos traballan conxuntamente para realizar a captación de luz, o transporte de electróns e a formación de ATP e NADPH.
Os dous fotosistemas que absorben a enerxía luminosa son complexos proteicos que conteñen pigmentos, como as clorofilas. Na fotosíntese das plantas prodúcense dous actos fotoquímicos (absorcións de luz), un no fotosistema I e outro no fotosistema II, que orixinan que as clorofilas perdan electróns. A fase luminosa empeza no fotosistema II. Cando unha molécula de clorofila a, situada nunha zona do fotosistema chamada centro de reacción absorbe un fotón, excítase un electrón da clorofila e atinxe un orbital cun nivel enerxético máis alto. Como neste estado excitado o electrón é moi inestable, o electrón é transferido a outra molécula e orixina unha cadea de reaccións redox, chamadas cadea de transporte electrónico. O electrón flúe desde o fotosistema II ao citocromo b6f e deste ao fotosistema I, pasando por unha serie de transportadores de electróns intermedios. No fotosistema I, ten lugar outra absorción de luz e outro desprendemento de electróns da clorofila. Ao final da cadea de transportadores está o aceptor final de electróns, que é o NADP+.
Ademais debe haber un doante de electróns que ceda os electróns que as clorofilas están perdendo. No tipo de fotosíntese máis importante, que é a das plantas este doante de electróns último é a auga (fotosíntese oxixénica), que rompe no proceso liberando o seu oxíxeno. Nas bacterias hai outras posibilidades.
Na fase luminosa prodúcese un fenómeno chamado fotofosforilación, no cal a ATP sintase tilacoidal sintetiza ATP a partir de ADP e fosfato. Este encima ten que ser activado por un fluxo de H+, que se crea porque durante a circulación de electróns pola cadea de transporte electrónico tilacoidal hai un bombeo de H+ ao interior do tilacoide, os cales se acumulan alí, crean un gradiente e saen pola ATP sintase. A fotofosforilación pode facerse de dúas maneiras segundo sexa o proceso de transporte de electróns, polo que hai fotofosforilación cíclica e acíclica. Na cíclica só funciona un fotosistema, só se produce ATP e non NADPH e non se consome auga nin se produce oxíxeno. A fosforilación cíclica é importante para producir ATP e axustar a cantidade de NADPH nos niveis correctos para as necesidades da fase escura.
A ecuación neta da fase luminosa na fotosíntese oxixénica é: 2 H2O + 2 NADP+ + 3ADP + 3Pi → O2 + 2 NADPH + 3 ATP Tipo de fotosíntese segundo o tipo de fase luiminosa
Podemos clasificar as fotosínteses atopadas na natureza segundo o produto liberado nas mesmas, que procede do doante último de electróns, en dous tipos: Fotosíntese oxixénica. Libera oxíxeno, que procede da auga que utilizan como doante último de electróns. É a que presentan as plantas, algas e cianobacterias. Utiliza dous fotosistemas.
Fotosíntese anoxixénica. Non libera oxíxeno, xa que non utiliza a auga como doante de electróns, senón outros produtos reducidos, como, por exemplo, o H2S (nese caso liberarían xofre). É un tipo de fotosíntese menos estendido na natureza, porque só é característica de certos grupos de bacterias fotosintéticas. Utiliza un só fotosistema. Os fotosistemas
Os fotosistemas son agrupacións de pigmentos (proteínas e carotenoides) e proteínas, que se encontran na membrana dos tilacoides ou nos sistemas de membranas bacterianos. Constan dunha parte chamada antena, onde se encontran pigmentos que poden pasarse a enerxía de excitación absorbida da luz uns a outros por resonancia, pero que non poden perder os electróns, e un centro de reacción, onde se encontra un dímero de clorofila especial, que é o único que pode perder electróns.
Nas plantas, algas e cianobacterias existen dous fotosistemas, que se denominan fotosistema I e II. Nas demais bacterias fotosintéticas só hai un fotosistema.
Transferencia de electróns no centro de reacción
O centro de reacción transfire a enerxía da luz a un dímero de clorofila situado preto do lado da membrana que dá ao lume tilacoidal. Este dímero ten un papel especial na fotosíntese. É un par especial de clorofilas, diferente nos fotosistemas I e II. No fotosistema II absorbe fotóns cunha lonxitude de onda de 680 nm, polo que se chama P680. No fotosistema I absorbe fotóns a 700 nm, polo que se chama P700. Nas bacterias este dímero pode ser o P760, P840, P870, ou P960, segundo os casos.
Se un electrón do dímero do centro de reacción é excitado, non pode transferir a súa enerxía a outro pigmento utilizando a transferencia de enerxía de resonancia. Nas circunstancias normais, o electrón acabaría volvendo ao estado non excitado, pero, como o centro de reacción está organizado dunha maneira na que o aceptor de electróns está moi preto, o electrón excitado é transferido ao aceptor. Este proceso dá lugar á creación dunha carga positiva no dímero de clorofila (debido á perda do electrón) e unha carga negativa no aceptor (que gaña un electrón) e isto denomínase separación de carga fotoinducida. Noutras palabras, os electróns nas moléculas dos pigmentos poden atoparse en distintos niveis enerxéticos de excitación. En circunstancias normais, están no nivel enerxético máis baixo posible. Porén, se hai enerxía dabondo para pasalos ao nivel enerxético seguinte, poden absorber esa enerxía e ocupar un nivel enerxeticamente máis elevado. A luz que absorben contén as cantidades xustas de enerxía necesarias para impulsalos ao seguinte nivel, xa que a luz que non teña enerxía dabondo ou que teña un exceso de enerxía non pode ser absorbida e é reflectida. O electrón situado no nivel enerxético excitado non é estable alí e tende a a volver ao seu nivel enerxético normal máis baixo. Ao facelo libera a enerxía que anteriormente absorbeu. Esta liberación pode acontecer de varias formas: A enerxía extra pode converterse en movemento molecular e perderse como calor.
Outra opción é que unha parte se perda como calor e a outra como luz doutra lonxitude de onda, fenómeno chamado fluorescencia.
A enerxía, pero non o electrón, pode ser transferida a outra molécula, que a absorberá, fenómeno chamado resonancia.
A última posibilidade é que tanto o electrón coma a enerxía sexan transferidos a outra molécula.
As plantas normalmente utilizan estas dúas últimas formas de transferencia para converter a luz do sol en enerxía química.
Esta separación de carga inicial ocorre en menos de 10 picosegundos (10−11 s). Nos estados enerxéticos nos que se atopan, os dímeros especiais de clorofila e o aceptor poderían sufrir recombinación de cargas; é dicir, o electrón do aceptor podería volver ao dímero e neutralizar a súa carga positiva. Este regreso malgastaría un valioso electrón de alta enerxía e simplemente convertería a luz absorbida en calor. Hai tres factores na estrutura do centro de reacción, que funcionan conxuntamente para suprimir a recombinación de carga case de vez, que son: Outro aceptor de electróns está a menos de 10 Å do primeiro aceptor, e isto facilita que o electrón sexa transferido rapidamente lonxe do dímero de clorofila especial.
Un doante de electróns está a menos de 10 Å do dímero de clorofila especial, e así a carga positiva é neutralizasda pola transferencia doutro electrón.
A transferencia de electróns desde o aceptor de electróns ao dímero especial cargado positivamente é especialmente lenta. A transferencia é termodinamicamente favorable no sentido contrario a onde é máis lenta.
Así, a transferencia de electróns é moi eficiente desde o primeiro aceptor de electróns ao seguinte, creando unha cadea de transporte de electróns que acabe no NAD+ e se forme NADPH. Cadeas de transporte electrónico fotosintético nos cloroplastos
O proceso fotosintético nos cloroplastos empeza cando un electrón do pigmento P680 do fotosistema II atinxe un nivel de alta enerxía debido á absorción da enerxía dun fotón. Esta enerxía utilízase para reducir a cadea aceptores de electróns que forma parte da cadea de transporte electrónico tilacoidal, que teñen potenciais de oxidorredución cada vez menores. No fotosistema I prodúcese outra absorción de luz e excitación de electróns.
Esquema Z
Se representamos os potenciais de oxidorredución dos pigmentos P680, P700 e os demais membros da cadea de transporte de electróns nunha gráfica obtemos un diagrama con forma de Z (ou de N, dependendo do que representemos en abscisas e ordenadas). Este diagrama denomínase esquema Z da fotosíntese. No esquema Z os electróns son transportados polos transportadores seguindo o gradiente redox normal, é dicir, desde moléculas con potencial máis baixo a outras con potencial máis alto, excepto no caso da excitación dos pigmentos P680 e P700, que diminúen o seu potencial (soben na gráfica), o cal só é posible debido á absorción de enerxía da luz.
Transporte cíclico e acíclico
O produto final do fotosistema II é o plastoquinol, un transportador móbil de electróns situado na membrana. Este transportador transfire o electrón desde o fotosistema II á bomba de protóns da cadea, que é o citocromo b6f. O doante último de electróns é a auga. O citocromo b6f cede os electróns vía plastocianina ao fotosistema I.
O fotosistema I pode continuar a transferencia de electróns de dous modos: transporte acíclico ou transporte cíclico. Se transfire os electróns de novo ao plastoquinol crea un fluxo cíclico. Se os transfire a un encima chamado ferredoxina-NADP+ redutase (FNR), situado na cara estromal do tilacoide, o transporte é acíclico. No transporte acíclico o FNR liberado no fluído do estroma reduce o NADP+ a NADPH.
O funcionamento da cadea de transporte electrónico, especialmente a do citocromo b6f, orixinan o bombeo de protóns desde o estroma ao lume tilacoidal, o que crea un gradiente que favorece a fotofosforilación na ATP sintase da membrana tilacoidal.
O proceso fotosintético global de transferencia de electróns no cloroplasto é: H2O → fotosistema II → plastoquinona → citocromo b6f → plastocianina → fotosistema I → NADPH
Fotosistema II
O fotosistema II é unha estrutura transmembrana extremadamente complexa e moi organizada que contén o complexo liberador de oxíxeno, as clorofilas, carotenoides, proteínas e o centro de reacción (P680), feofitina (un pigmento similar á clorofila), e dúas quinonas. Utiliza a enerxía da luz para transferir electróns desde a auga a un transportador de electróns móbil da membrana chamado plastoquinona: H2O → P680 → P680* → plastoquinona
O asterisco (*) indica que o pigmento está excitado pola luz.
A plastoquinona, á súa vez, transfire os electróns ao citocromo b6f, que os cede ao fotosistema I.
O complexo liberador de oxíxeno
O paso de electróns da auga ao P680 é levado a cabo por unha estrutura mal coñecida inserida dentro do fotosistema II chamada complexo evolucionador do oxíxeno (OEC, do inglés oxygen-evolving complex), tamén chamado complexo escindidor da auga ou complexo liberador de oxíxeno. Cataliza a reacción que rompe a molécula de auga en electróns, protóns e oxíxeno, denominada fotólise da auga: 2 H2O → 4 H+ + 4 e- + O2
Os electróns son transferidos a moléculas de clorofila especiais do fotosistema II. Deste modo, a auga funciona como doante de electróns final de todo o proceso, xa que fornece os electróns que as clorofilas perden ao darlles a luz. Os protóns (H+) quedan dentro do lume tilacoidal, contribuíndo á creación do gradiente de H+ necesario para a fotofosforilación. O O2 libérase e contribúe a enriquecer a atmosfera en oxíxeno. O oxíxeno que respiramos os seres vivos procede, pois, da auga utilizada na fotosíntese.
O centro de reacción
A excitación P680 → P680* do pigmento P680 do fotosistema ocorre no centro de reacción. O centro de reacción é a parte do fotosistema onde se encontran unhas clorofilas especiais que poden absorber fotóns e perder electróns, que absorben lonxitudes de ondas da luz cun pico de absorción nos 680 nm, razón pola que se chama P680. A excitación dos electróns neste pigmento ocorre con enorme eficiencia (maior do 90%) porque, ademais, o fotosistema ten unha parte chamada antena, onde se encontran proteínas e outros pigmentos con picos de absorción doutras lonxitudes de onda, que captan a luz e canalizan a enerxía cara ao centro de reacción.
Isto vai seguido polo paso da enerxía do P680* á feofitina, e despois á plastoquinona, que ten lugar dentro do centro de reacción do fotosistema II. Os electróns de alta enerxía acaban na plastoquinona e esta libérase na membrana como un transportador móbil de electróns.
As fases iniciais desta transferencia ocorren en picosegundos, cunha eficiencia do 100%. Esta eficiencia extraordinaria débese á posición tan precisa que ocupan as moléculas no centro de reacción e ten lugar no ambiente esencialmente cristalino creado pola estrutura macromolecular do fotosistema II.
Asociación entre o complexo liberador de oxíxeno e a excitación da clorofila
Cando a clorofila pasa o electrón á feofitina, obtén un electrón do P680*. Á súa vez, o P680* pode oxidar a molécula Z (ou YZ). Unha vez oxidada, a molécula Z pode tomar electróns do complexo liberador de oxíxeno.
Citocromo b6f
Os fotosistemas II e I están conectados por unha bomba de protóns transmembrana, o complexo citocromo b6f (plastoquinol—plastocianina redutase; EC 1. 10. 99. 1). Os electróns que saen do fotosistema II son transportados pola plastoquinona ao complexo citocromo b6f, de onde son recollidos paso a paso por un transportador de electróns hidrosoluble chamado plastocianina. Este proceso redox está combinado co bombeo de catro protóns procedentes do estroma a través da membrana cara ao interior do tilacoide. Con estes protóns e cos procedentes da escisión da auga xérase un gradiente de protóns, que servirá para impulsar a fotofosforilación na ATP sintase.
Aínda que as cadeas de transporte electrónico tilacoidal e mitocondrial son distintas, funcionan polos mesmos principios e hai unha sorprendente similitude entre o citocromo b6f (dos cloroplastos) e o citocromo bc1 (do complexo III mitocondrial). Ambos os dous son estruturas transmembrana que reciben electróns dun transportador de electróns móbil liposoluble (a plastoquinona nos cloroplastos; e a ubiquinona nas mitocondrias) e os transfiren a un transportador de electróns móbil hidrosoluble (plastocianina nos cloroplastos e citocromo c nas mitocondrias). Ademais, ambos os dous son bombas de protóns que producen un gradiente protónico transmembrana.
Fotosistema I
O fotosistema I acepta electróns da plastocianina e transfíreos ao NADPH (ou no transporte cíclico transmíteos de volta ao citocromo b6f): O fotosistema I é tamén unha complexa estrutura transmembrana moi organizada que contén clorofilas antenas, un centro de reacción (P700), filoquinina, e varias proteínas ferro-xofre que serven como transportadores redox intermedios.
O sistema de captación de luz do fotosistema I utiliza múltiples copias das mesmas proteínas transmembrana utilizadas polo fotosistema II. A enerxía absorbida da luz (en forma de electróns de enerxía deslocalizada) é canalizada ao centro de reacción, onde excita unhas moléculas especiais de clorofila, que teñen un pico de absorción nas lonxitudes de onda de 700 nm, denominadas P700. O proceso ocorre moi eficientemente.
Os electróns son retirados destas clorofilas excitadas e transferidos a unha serie de transportadores hidrosolubles chamados ferredoxinas.
Hai dúas vías diferentes de transporte electrónico no fotosistema I. O transporte acíclico, no que a ferredoxina leva o electrón ao encima ferredoxina-NADP+ redutase, que reduce o NADP+ a NADPH (fotorredución do NADP+, que orixina poder redutor). O transporte electrónico cíclico, no que os electróns da ferredoxina son transferidos (vía plastoquinona) ao citocromo b6f, unha bomba de protóns; e volven (vía plastocianina) ao P700.
O NADPH e o ATP utilízanse para sintetizar moléculas orgánicas na fase escura a partir do CO2. A proporción de NADPH e ATP producidos debe axustarse controlando o balance entre o transporte cíclico e acíclico, xa que o cíclico pode producir ATP sen producir NADPH.
O fotosistema I lembra estruturas similares atopadas nas bacterias verdes do xofre. Cadeas de transporte fotosintético en bacterias
Os fotosistemas I e II e o citocromo b6f atópanse na membrana dos tilacoides dos cloroplastos. As plantas e algas posúen cloroplastos, nos que producen NADPH e ATP durante a fase luminosa. Basicamente, as mesmas estruturas transmembrana se atopan nas cianobacterias.
A diferenza das plantas e algas, as cianobacterias son procariotas. Non conteñen cloroplastos, pero si uns sistemas de membranas internos similares a tilacoides, onde se encontran os seus fotosistemas I e II. A cianobacteria no seu conxunto lembra a un cloroplasto. Segundo a teoría endosimbiótica os cloroplastos evolucionaron a partir de cianobacterias (ou outras bacterias fotosintéticas similares) que pasaron a vivir no interior doutras células máis grandes non fotosintéticas.
As cianobacterias son as únicas bacterias que producen oxíxeno durante a súa fotosíntese (fotosíntese oxixénica). Os outros dous grupos principais de bacterias fotosintéticas (bacterias púrpuras e bacterias verdes do xofre), conteñen un só fotosistema e non producen oxíxeno (fotosíntese anoxixénica).
As bacterias púrpuras e as verdes do xofre ocupan nichos ecolóxicos relativamente minoritarios na biosfera actual, pero foron moi importantes na ecoloxía do Precámbrico. Os seus sistemas fotosintéticos foron probablemente os precursores evolutivos dos sistemas que despois apareceron noutras bacteria e plantas.
Cianobacterias
As cianobacterias conteñen estruturas similares aos fotosistemas I e II das plantas. O seu sistema antena para a captación da luz é distinto ao das plantas, xa que utilizan ficobilinas en vez de clorofilas como pigmentos antena, pero a súa cadea de transporte de electróns é, en esencia, a mesma:
Acíclico: H2O → fotosistema II → plastoquinona → citocromo b6f → citocromo c6 → fotosistema I → ferredoxina → NADPH Cíclico: fotosistema I → ferredoxina → plastoquinona → citocromo b6f → citocromo c6 → fotosistema I
O transportador de electróns móbil hidrosoluble é nelas o citocromo c6, en vez da plastocianina.
As cianobacterias teñen unha fotosíntese oxixénica, polo que liberan O2 á atmosfera. Como a atmosfera primordial da Terra era anóxica (sen O2), os organismos parecidos a cianobacterias que apareceron naqueles períodos iniciais orixinaron a maior parte do oxíxeno da atmosfera.
Bacterias púrpuras
As bacterias púrpuras conteñen un só fotosistema que está estruturalmente relacionado co fotosistema II das cianobacterias e cloroplastos: P870 → P870* → ubiquinona → citocromo bc1 → citocromo c2 → P870
Este é un proceso cíclico no que os electróns se desprenden dunha molécula excitada de bacterioclorofila (P870), pasan por unha cadea de transporte electrónico na que hai unha bomba de protóns (o complexo do citocromo bc1, parecido ao citocromo bc1 dos cloroplastos), e despois volven á molécula de bacterioclorofila. O resultado é a creación dun gradiente de protóns, que se utiliza para fabricar ATP na ATP sintase.
Para que funcione o fluxo de electróns e se poida producir NADPH, as bacterias púrpura utilizan un doante de electróns externo, que pode ser hidróxeno, sulfuro de hidróxeno, xofre, sulfito, ou mesmo moléculas orgánicas como o lactato, que ceden electróns a unha cadea de transportadores de electróns inversa.
Bacterias verdes do xofre
As bacterias verdes do xofre conteñen un fotosistema análogo ao fotosistema I dos cloroplastos:
Acíclico: P840 → P840* → ferredoxina → NADH Cíclico: P840 → P840* → ferredoxina → menaquinona → citocromo bc1 → citocromo c553 → P840 Hai dúas vías para a transferencia de electróns. No transporte electrónico cíclico, os electróns son cedidos por unha molécula de bacterioclorofila excitada, pasan por unha cadea de transportadores de electróns cunha bomba de protóns, e retornan á bacterioclorofila. Os transportadores de electróns móbiles son, como é habitual, unha quinona liposoluble e un citocromo hidrosoluble. O gradiente protónico creado utilízase para a produción de ATP.
Na transferencia de electróns acíclica, os electróns son cedidos pola molécula excitada de bacterioclorofila e utilizados para reducir o NAD+ a NADH. Os electróns perdidos polo P840 deben ser substituídos. Isto lévase a cabo tomando electróns do H2S (doante externo de electróns), que se oxida a xofre, que se libera ao medio (de onde lles vén o nome de bacterias verdes do xofre). Historia
As primeiras ideas sobre o a necesidade de luz na fotosíntese foron propostas por Colin Flannery en 1779, aínda que foi Joseph Priestly quen se decatou da produción de oxíxeno polas plantas en 1772.
Cornelius Van Niel propuxo en 1931 que a fotosíntese é un caso do mecanismo xeral no que un fotón de luz se utiliza para fotodescompoñer un doante de hidróxeno, e o hidróxeno é utilizado para reducir o CO2.
Despois, en 1939 Robin Hill demostrou que cloroplastos illados producen oxíxeno, pero non fixan o CO2, o que indicaba que as reaccións luminosas e as escuras tiñan lugar en diferentes partes. Isto levou máis tarde ao descubrimento dos fotosistemas I e II.