Fosforilacion Oxidativa

Cadenas de Tansporte Electrónico Mitocondrial y Fotosintética Tema 7 Bioquímica gD Tema 7 (UVEG)

Resumen del Tema • Oxidaciones biológicas • Fotosíntesis – Características de la • El cloroplasto de los mitocondria organismos fotosintéticos eucariotas – Reacciones redox • Pigmentos fotosintéticos – Oxidación de sustratos y – Pigmentos principales y transferencia de electrones accesorios, complejos LHC a la cadena de transporte electrónico mitocondrial • Organización y funcionamiento de la cadena de transporte • Componentes de la cadena electrónico fotosintética de transporte electrónico – PSII, OEC, Citb6f, PC, PSI, Fd, mitocondrial FNR • Síntesis acoplada de ATP • Cadena electrónica – Razón P/O mitocondrial y fotosintética • Balance de la fotofosforilación • Inhibidores y (no cíclica) desacopladores del Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) • Fotofosforilación cíclica transporte electrónico 2

Oxidaciones Biológicas Los organismos aerobios requieren oxígeno para su supervivencia • Un proceso de oxidación • Para que oxidaciones sigan directo hay que regenerar NAD+ – AH2 + 1/2 O2 A + H2O – A) Con otro sustrato oxidado no se da en general en X (ox) + NADH (red) + H+ sistemas biológicos • el O2 no actua como aceptor primario de electrones XH2 (red) + NAD+(ox) • En las células como • en determinadas condiciones (anaerobias) aceptores primarios de – B) A través de la cadena de electrones actúan otras transporte electrónico (cadena moléculas, NAD+ respiratoria) donde sistemas (nicotinamida adenina redox permiten transferir dinucleótido) electrones desde NADH hasta Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) – Los sustratos que tienen que el último aceptor (O2) con oxidarse lo hacen con el producción concomitante de NAD+ ATP AH2 + NAD+ A + NADH + H+ 3

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa La cadena de transporte electrónico es la última H+ etapa del proceso ATP oxidativo ATP sintasa Glucosa H+ Coenzimas c.t.e. fuente de O oxidados X actividades celulares, I 10 NAD+ H+ la energía que se 2 [FAD] D 24e-+24H+ 24e- H+ libera se conserva como energía de A 10 NADH+H+ H+ enlace químico en el C 2 [FADH2] Flujo de ATP I Coenzimas e- exergónico Ó O2 reducidos Energía libre N Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) H2O CO2 García Ferris Cadena de transporte electrónico 4

Características de la Mitocondria • En eucariotas, la cadena de transporte electrónico y la Matriz Crestas Membrana Membrana interna externa fosforilación oxidativa se localizan en la membrana interna de la mitocondria – Impermeabilidad a iones y moléculas (incluidos los H+) Espacio intermembrana – Contiene los complejos I-IV, Purves ATP sintasa (complejo V), orientada hacia la matriz, ATP-ADP translocasa y otras proteínas transportadoras Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) – En el espacio intermembrana se acumulan los H+ bombeados por la cadena Voet 5

Reacciones Redox • La cadena de transporte electrónico es una sucesión de reacciones Ared Box redox (oxidorreducción) (dador o (aceptor agente o agente – Los electrones (e-) pasan reductor) oxidante) de un compuesto Ared (dador electrónico) a un compuesto Box (aceptor electrónico) – El dador (compuesto con tendencia a ceder e-) se Aox Bred oxida Aox y el aceptor (compuesto con Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Purves tendencia a ganar e-) se reduce Bred 6

Potencial de Reducción Estándar, Eo’ • Toda reacción redox • El potencial redox es la puede dividirse en dos tendencia que tiene un semirreacciones, cada par redox a ceder o una correspondiente a un captar e-, expresándose par redox como Eo’ en condiciones Ared Aox + ne- estándar bioquímicas Box + ne- Bred – Los potenciales redox se ________________________ miden frente al par 1/2H2/H+(valor cero) Ared + Box Aox + Bred Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) 7

Energía Libre en Reacciones Redox • El par con potencial • Al transferirse electrones redox más negativo es se puede liberar energía el reductor más ΔEo’ = Eo’(aceptor) - Eo’(dador) potente mientras que y ΔGo’ = - nF ΔEo’ el par redox con (n= número de electrones transferidos) potencial más positivo ΔGo’ <0 (flujo favorable) es el oxidante más cuando ΔEo’ >0 fuerte – El flujo favorable de e- • En condiciones no será siempre del par con estándard menor Eo’ al par con o' RT [aceptor e - ] mayor Eo’ E=E + ln Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) nF [dador e - ] Eo’ Eo’ Par dador de e- Par aceptor de e- 8 !

Transferencia de Electrones desde el NADH al Oxígeno NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O Esta reacción es suma de dos semirreacciones NADH + H+ NAD+ + 2H+ + 2e- (par dador de e-) 1/2 O2 + 2H+ + 2e- H2O (par aceptor de e-) El potencial Eo’ para cada par redox (correspondiente a la semireacción oxidante + ne- reductor) es NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ Eo’ = -0.32 v 1/2 O2 + 2H+ + 2e- H2O Eo’ = +0.82 v ΔEo’ = 0.82 -(-0.32) = 1.14 v Termodinámicamente Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) ΔGo’ = - (2) x 96.48 x 1.14 = -220 kJ.mol-1 favorable El enzima responsable de la oxidación del NADH no es uno sino varios, los e- se transfieren hasta el O2 en etapas sucesivas -componentes de la cadena de transporte electrónico- 9

Oxidación de Sustratos y Transferencia de Electrones Electrones que provienen de la degradación de hidratos de carbono, lípidos y aminoácidos son transferidos a la cadena de transporte electrónico glucosa piruvato acetil-CoA 2H 2H ciclo del 2H ácido cítrico ácidos grasos 2H 2H 2H 2H 2H aminoácidos 2H 2H 2H 1/2 O2 NAD+ FMN UQ cit b cit c1 cit c cit aa3 Cadena transporte electrónico H2O Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Enzimas relacionadas con procesos redox -oxidorreductasas- no poseen grupos funcionales capaces de actuar como sumidero de e-, por tanto requieren cofactores orgánicos (nucleótidos de piridina, nucleótidos de flavina, grupos hemo) y/o metales de transición activos (Fe, Cu, Mo) 10

Deshidrogenasas Dependientes de NAD+ Catalizan la reacción general AH2 + NAD+ A + NADH + H+ Presentan estereoespecificidad A ó B La parte activa es el anillo de nicotinamida Lehninger Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Wavelength (nm) 11

Deshidrogenasas Dependientes de FAD Catalizan la reacción general AH2 + E.FAD A + E.FADH2 La parte activa es el anillo de isoalloxacina, acepta 2e- y 2H del sustrato de uno en uno para FMN formar FADH2 FMN es un componente de la cadena de transporte electrónico mitocondrial, nunca interviene como oxidante directo, actúa Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) unido a la enzima Eo’ depende del entorno Lehninger 12

Componentes de la Cadena Electrónica Mitocondrial Proteínas ferrosulfuradas El átomo de hierro interviene en transferencias de un eléctron Fe3+(ox) + 1e- Fe2+(red) Lehninger Eo’ del par Fe3+/Fe 2+ en cada centro Fe-S El hierro forma enlaces de coordinación con átomos de azufre depende del entorno (lábiles) y restos tiol de cisteinas proteico Cuproproteínas Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) 3 histidinas y una El átomo de cobre interviene en molécula O22- coordinan transferencias de un eléctron el átomo de cobre en el Cu2+(ox) + 1e- Cu1+(red) centro CuB (en azul) de la citocromo oxidasa Voet 13

Componentes de la Cadena Electrónica Mitocondrial Citocromos El átomo de hierro del grupo hemo interviene en transferencias de un eléctron Fe3+ + 1e- Fe2+ Contiene un grupo hemo Hemo C como el de la hemoglobina (citocromo c) (citocromo b) El grupo hemo está unido a dos cisteinas de la proteína (extrínseca de membrana) Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Hemo A Eo’ del par Fe3+/Fe 2+ El grupo hemo tiene unido una en cada citocromo cadena hidrocarbonada que lo ancla depende del entorno en el interior de la proteína (citocromo a) Lehninger proteico 14

Componentes de la Cadena Electrónica Mitocondrial Ubiquinona: transportador no proteico • Derivados de 2,3-dimetoxi- 5metil-1,4-benzoquinona sustituidos con cadena Ubiquinona (Q) isoprenoide (completamente – Mamíferos 10 unidades oxidada) (Q10) • Cadena isoprenoide apolar capacita para difundir en la Radical membrana semiquinona (•QH) • Transportador móvil – capta e- de uno en uno y los cede de uno en uno • Q10 canaliza e- derivados de Ubiquinol (QH2) Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) oxidación de sustratos (completamente (deshidrogenasas reducida) dependientes de FAD) Lehninger 15

Orden de los Transportadores Electrónicos Varios criterios permiten establecer Transportador NADH electrónico el orden de los componentes de la cadena E°’ -0.32V - Potenciales éstandar de cada uno de NAD+ 1 los pares redox 2 - Espectros de absorción en estado 3 oxidado y reducido 4 5 ΔG<0 - Razón P/O - Acción de inhibidores 6 - Acción de detergentes iónicos suaves 7 y baja temperatura (permite aislar 8 ½O2 complejos mitocondriales) E°’ +0.82V H2O Flujo de 2e- García Ferris Los e- se mueven de forma Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) secuencial de un transportador con menor E°’ a uno con mayor E°’ Lehninger 16

Complejos Mitocondriales • Transportadores se organizan en complejos (I, II, III, IV) embebidos en la membrana interna mitocondrial – Complejos I, III y IV intervienen en reoxidación NAD+ – Complejos II, III y IV intervienen en reoxidación FAD • Transportadores móviles actúan entre diferentes complejos – Ubiquinona (Q, CoQ) conecta I con III y II con III – Citocromo c conecta III con IV • Complejos I, III y IV bombean H+ al espacio intermembrana acoplado al paso de e- (ΔG <0) Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) [FAD] Lehninger 17

Organización de los Complejos Mitocondriales Cada complejo consta de varios transportadores que actúan sucesivamente en la cadena (Eo’ creciente) – La variación de energía libre producida durante el paso de los e- en I, III y IV permite bombeo de H+ desde la matriz (in) hacia el espacio intermembrana (out), generándose un gradiente de H+ que hace posible la síntesis de ATP Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) (ATP sintasa) Lodish 18

Características de los Complejos Mitocondriales I y II Complejo I NADH-ubiquinona oxidorreductasa NADH deshidrogenasa NADH + H+ + Q NAD+ + QH2 ΔGo’ = -70 kJ.mol-1 Bombea 4 H+/2e- Mw > 900.000, más de 25 polipéptidos, FMN actúa como adaptador electrónico, capta 2 e- de NADH y los cede de uno en uno a centros Fe-S (7-8) Succinato-ubiquinona oxidorreductasa Complejo II Succinato deshidrogenasa succinato + Q fumarato + QH2 ΔGo’ ≈ 0 kJ.mol-1 No Bombea H+ Mw ≈ 125.000, más de 4 Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) polipéptidos, FAD actúa como adaptador electrónico, capta 2 e- de succinato y los cede de uno en uno a centros Fe-S (3) Enzima del ciclo del ácido citrico Horton 19

Características de los Complejos Mitocondriales III y IV Complejo III Ubiquinol-citocromo c oxidorreductasa Citocromo c reductasa QH2+ 2cit c(Fe3+) Q + 2cit c(Fe2+) ΔGo’ = -37 kJ.mol-1 Bombea 4 H+/2e- (ciclo Q) Mw ≈ 250.000, dímero de 9-11 subunidades, contiene un centro Fe-S, cit b (con dos hemos) y cit c1 distinto de cit c que actúa como aceptor de e- Complejo IV Ferrocitocromo c-oxígeno oxidorreductasa Citocromo c oxidasa 2cit c(Fe2+)+ 1/2O2 2cit c(Fe3+)+ H2 O ΔGo’ -110 kJ.mol-1 Bombea 2H+/2e- Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Mw ≈ 400.000, dímero de 13 subunidades, contiene dos átomos de cobre (CuA y CuB) y dos cit a (cit a y cit a3) Horton 20

Otros Sustratos Transfieren e- a la Ubiquinona Otras dos vias transfieren e- a ubiquinona (UQ) a través de deshidrogenasas FAD-dependientes - Acil-CoA deshidrogenasa (β-oxidación de ácidos grasos) - Glicerol-fosfato deshidrogenasa (lanzadera glicerol-fosfato) Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Garrett 21

Síntesis Acoplada de ATP Razón P/O, número de moléculas de ATP (P) sintetizadas por cada 2e- necesarios para reducir un oxígeno (O) Se necesita consumir 4H+ del gradiente electroquímico para sintetizar una molécula de ATP (3 ATP sintasa + 1 importar ADP + Pi y exportar ATP por el translocador ADP-ATP y la translocasa de fosfato) Lehninger 2e- (NADH + H+) a 1/2 O2 2e- (FADH2) a 1/2 O2 Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Complejo I 4H+ Complejo II ningún H+ Complejo III 4H+ Complejo III 4H+ Complejo IV 2H+ Complejo IV 2H+ P/O =10H+ /4H+ = 2.5 P/O =6H+ /4H+ = 1.5 22

Transportadores Necesarios para la Fosforilación Oxidativa El translocador ADP-ATP lleva a cabo un transporte antiporte que exporta ATP4- (sin Mg2+) e importa ADP3- - transporte electrogénico, se inhibe por atractilósido La translocasa de fosfato lleva a cabo un transporte de Pi impulsado por la entrada en simporte de un H+ - transporte electroneutro no consume potencial de membrana - el gradiente de H+ favorece el funcionamiento de los dos transportadores Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) La salida de ADP y Pi, combinada con la entrada de ATP implica globalmente el Lehninger consumo de un H+ adicional 23

Control Respiratorio NADH o Succinato • La fosforilación oxidativa y Inhibidor cadena o Inhibidor síntesis ATP la cadena de transporte [O2] electrónica están íntimamente acopladas – El acoplamiento se establece a través del gradiente iónico de H+ – La regulación coordinada [ATP] Garcia Ferris de ambos procesos se conoce con el nombre de 1 2 tiempo control respiratorio 2 -Si se inhibe la cadena: no hay transporte de 1 Mitocondrias en presencia de e-, no se consume O2, no se genera gradiente ADP, Pi, fuente de e- (NADH, de H+ y no se sintetiza ATP Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) - Si se inhibe la síntesis de ATP: no se forma succinato), y O2 como aceptor ATP, no se consume el gradiente de H+ y se final, consumen O2 y sintetizan detiene la cadena de transporte electrónico ATP (el gradiente de H+ es tan grande que la cadena no tiene energía para bombear H+) 24

Inhibidores de la Cadena de Transporte Electrónico y de la Síntesis de ATP Cadena de transporte electrónico • Complejo I – Rotenona – Amital • Complejo II – Carboxina • Complejo III – Antimicina A • Complejo IV – Cianuro (CN-) – Azida (N3-) – Monóxido de carbono (CO) Síntesis de ATP • ATP sintasa (complejo V) Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) – Oligomicina • Translocador ADP-ATP – Atractilósido 25

Desacopladores • Rompen el acoplamiento Mitocondrias en entre la cadena de presencia de ADP y Pi: transporte electrónico y la 1 NADH o succinato fosforilación oxidativa Inhibidor de la 2 síntesis de ATP – Son ácidos débiles solubles en la membrana (pKa ≈ 5), 3 DNP se protonan en el espacio intermembrana (alta [H+]) y 1 2 3 se desprotonan en la matriz (baja [H+]) [O2] • pasa H+ del espacio intermembrana a la matriz – Disipan el gradiente de H+ – Estimulan el transporte Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) electrónico (aumenta el consumo de O2) [ATP] García Ferris 26

Termogenina • Es un desacoplador natural – Proteína integral de la membrana interna mitocondrial que forma un canal de H+ – El gradiente de H+ se disipa y no se sintetiza ATP, generándose calor – Está presente en el tejido adiposo marrón de mamíferos lo que permite mantener la temperatura Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) corporal (oso durante la ADP + Pi hibernación) ATP Lehninger 27

Partículas Submitocondriales Son vesículas cerradas generadas por el sellado de las crestas mitocondriales como consecuencia de aplicar ultrasonidos (sonicación) a mitocondrias aisladas. Es una herramienta para estudios de la cadena de transporte electrónico -Al cambiar la orientación de la membrana hay que tener en cuenta que: -Dentro de la partícula queda el citocromo c que estaba en el espacio intermembrana -Fuera queda orientada la ATP sintasa (luego ya no es necesaria la actividad de la translocasa ATP-ADP, insensibilidad al atractilósido) -También se orienta hacia fuera el sitio de unión del NADH o el succinato -Partículas submitocondriales en disolución pueden acceder a las fuentes de poder reductor Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) (NADH, succinato), ADP y Pi suministradas con la disolución para llevar a cabo la cadena de transporte electrónico y la fosforilación oxidativa 28

Fases de la Fotosíntesis • Fase luminosa – Captación de energía por pigmentos que absorben luz y conversión en energía química (ATP) y poder reductor (NADPH) H2O O2 • H2O + NADP+ + ADP + Pi Fase luminosa O2 + NADPH + H+ + ATP No siempre el donador de e- (agente reductor) es el H2O NADP+ NADPH + H+ – Localización cloroplasto, ADP + Pi ATP membrana tilacoide (plantas) • Fase de fijación del CO2 Fase fijación CO2 – NADPH y ATP se utilizan para reducir al CO2 CO2 + H2O + NADPH + H+ + ATP Hidrato de carbono CO2+ H2O (CH2O)n Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) (CH2O)n + NADP+ + ADP + Pi – Localización, estroma (plantas) La síntesis de hidratos de carbono es un proceso endergónico que requiere energía (ATP) y poder reductor (NADPH) 29

¿Cómo se Convierte la Energía Luminosa en Energía Química? “Aparentemente” los e- son forzados en • 1937. Robert Hill descubre que contra de un gradiente electroquímico una suspensión de cloroplastos Cadena de transporte iluminados en presencia de un de electrones -sistemas redox- aceptor de e- (ferricianuro) puede producir O2 hυ – 2H2O + 2A 2AH2 + O2 • E luminosa se convierte en E química, H2O dador de e- estroma • Se libera O2 sin reducción de CO2 • El O2 procede del agua, no del CO2 lumen tilacoidal • Ochoa demuestra que el aceptor de e- es el NADP+ Stryer 2H2O+2NADP+ 2NADPH+ 2H++ O2 ΔGo’ = -nFΔEo’ En esta cadena se La energía es proporcionada ΔGo’ = -2 x 96.48 x (-0.32-(+0.82)) insertan 2 sistemas en forma de cuantos de luz de pigmentos PSI y PSI y PSII son las“máquinas” ΔGo’ = +220 kJ.mol-1 Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) PSII que permiten que conducen la fase luminosa introducir la energía para de la fotosíntesis “forzar a los electrones” La cadena fotosintética emplea la energía de la radiación electromagnética para impulsar la síntesis de NADPH y ATP 30

El gradiente de H+ Impulsa la Síntesis de ATP • El gradiente de H+ generado a través de la membrana tilacoidal permite la síntesis de ATP oscuridad • Experimento de Jagendorg – Un gradiente de H+ producido artificialmente en vesículas tilacoidales mantenidas en oscuridad es capaz de impulsar la síntesis de ATP Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Stryer 31

El Cloroplasto de los Organismos Fotosintéticos Eucariotas • La fotosíntesis se produce en células eucarióticas (algas, membrana externa membrana plantas superiores) y en membrana interna tilacoidal bacterias (cianobacterias) Stryer • En el cloroplasto se realizan Estroma las dos fases de la lamelas fotosíntesis del grana – Contiene DNA y ribosomas (sintetizan parte del espacio lamela del lumen intermembrana componente proteico) estroma tilacoidal – La membrana tilacoidal contiene los transportadores electrónicos y la ATP sintasa (orientada hacia el estroma) Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) – El estroma contiene las enzimas solubles que llevan Lehninger a cabo la fijación del CO2 32

Pigmentos Fotosintéticos Principales • Moléculas capaces de absorber radiación visible – Plantas verdes clorofilas (Chla y Chlb) – Los sistemas de dobles enlaces conjugados permiten absorber luz en la zona del visible • Los espectros de absorción de los pigmentos fotosintéticos se Mathews complementan – Chlb y Chla absorben en la zona del azul y del rojo con espectros que complementan sus gamas de absorción en el visible Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) – Por ello, la luz reflejada por las plantas es de color verde Campbell 33

Pigmentos Fotosintéticos Accesorios • Son receptores de luz complementarios – Carotenoides • El mas importante en plantas superiores es el β-caroteno, los dobles enlaces conjugados permiten absorber en el azul – Ficobilinas (bacterias fotosintéticas y algas rojas) • Ficoeritrina • Ficocianina Campbell Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Mathews 34

Organización de los Pigmentos Fotosintéticos • Los pigmentos se organizan en unidades funcionales: fotosistemas (PSI, PSII) – Constan de clorofilas (≈200), carotenoides (≈50) y Clorofilas antena Estas moléculas proteínas ligadas a absorben energía proteínas luminosa – Todas las moléculas pueden Carotenoides, otros transfiriéndola absorber luz (moléculas Luz pigmentos accesorios entre moléculas hasta alcanzar el antena) pero solo una pareja centro de reacción de clorofila a en cada fotosistema puede actuar en la conversión de energía luminosa en energía química (fotooxidación) “centro de Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) reacción fotoquímica” Centro de reacción Lehninger 35

Absorción de la Luz • La capacidad de un compuesto para absorber hυ luz depende de la disposición de los e- e- alrededor del núcleo atómico  • Cuando un fotón se adsorbe, un e- pasa a un nivel energético mayor (se requiere una cantidad mínima de energía (un cuanto) – La molécula pasa a un estado excitado (*) generalmente inestable e-* – El e- vuelve al estado fundamental (nivel de energía bajo), durante el proceso la energía absorbida cuando la molécula se excitó se pierde  como luz emitida (fluorescencia) o como calor – La excitación de las moléculas por la luz es muy rápida, picosegundos (10-12s) y permanecen excitadas un tiempo muy corto • Cuando clorofilas aisladas se excitan la energía se libera como fluorescencia y calor, pero e- Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) cuando se iluminan hojas de espinaca no se  observa fluorescencia – La energía pasa de una clorofila excitada a otra (excitón) transmitiéndose al centro de reacción 36

Transferencia de Energía al Centro de Reacción Las moléculas antena absorben la energía de un fotón de luz visible y canalizan la energía por resonancia hasta el par especial cuyo estado excitado está estabilizado (menor energía) respecto al resto de moléculas de clorofila del fotosistema transferencia de excitón Garrett estados excitados moléculas de pigmento antena Energía Energía estado basal e- par especial del centro Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) moléculas de pigmento antena de reacción par especial del centro Lehninger de reacción Aceptor de e- 37

Otras Estructuras de Captación de Luz • Otros pigmentos, estructuras de captación de la luz (LHC), ayudan a los fotosistemas a absorber radiación – Localizados en la membrana tilacoidal unidos a proteínas específicas, actuando a modo de antena – Por ejemplo LHCII es un trímero con 36 clorofilas y 6 carotenoides – Dado que la eficiencia de los dos fotosistemas en la absorción de luz no es la misma Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) LCHII se asocia a PSI o a PSII incrementando la energía Monómero de LHCII radiante absorbida Lehninger 38

Cadena de Transporte Electrónico Fotosintética El funcionamiento coordinado de los fotosistemas (PSI y PSII) permite que la transferencia de e- sea siempre a favor de potencial termodinámico -Cuando las clorofilas especializadas P700 y P680 se excitan por la luz adquieren una distribución diferente de e- que cambia su Eo’ E°’ -1.6 PSII P700* -2H+ -4H+ A0 A1 (estroma) -1.2 (estroma) FX P680* FA/FB -0.8 Ph Fd NADP+ PQA -0.4 FNR PQB PQH2 hν NADPH 0 hν +H+ Cit b6f hν hν Pc +0.4 P700 Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) +0.8 +4H+ Z P680 (lumen) +1.2 MnC E°’ PSI Mathews (mod García Ferris) H2O ½O2+2H+(lumen) 39

Fotosistema PSII • PSII está constituido por dos proteínas transmembrana (D1,D2) • Los pigmentos antena absorben un fotón excitándose P680 en el centro de reacción a P680* • Feofitina (Ph), clorofila sin Mg2+, le roba el e- a P680* (picosegundos) produciendo separación de cargas en el centro de reacción quedando P680+ con un hueco electrónico • El e- se transfiere a moléculas de plastoquinona PQA, PQB – PQB reducida (PQH2) difunde en la Mathews (mod por García Ferris) bicapa lipídica hasta el complejo de citocromos b6f – El proceso es inhibido por DCMU Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) • El hueco dejado en P680+ se rellena mediante e- obtenidos a partir de la molécula de agua PQ PQH2 (forma oxidada) (forma reducida) 40

Complejo Productor de Oxígeno El complejo productor de oxígeno (OEC), asociado a PSII, lleva a cabo la escisión de la molécula de agua - Contiene un complejo de Mn (MnC) capaz de ceder hasta 4e- al P680+ a través de un residuo de Tyr, acumulando 4 oxidaciones (0 +4) - Rellena 4 huecos electrónicos generados por 4 procesos de excitación y robo electrónico (absorción de 4 fotones por P680) - Cuando el complejo ha acumulado 4 huecos electrónicos (+4), escinde 2 moléculas de H2O para robar 4e- liberando 4H+ al lumen del tilacoide (contribuirán al gradiente de H+) y una molécula de O2 Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Lehninger 41

Citocromos b6f • Es una bomba de H+ similar al complejo III de la cadena electrónica mitocondrial Por cada 2 e- • Cataliza la transferencia de 2e- desde la plastoquinona reducida (PQH2) a dos moléculas de plastocianina (Pc), contiene Fe-S PQH2 + 2 Pcox PQ + 2Pcred • El transporte electrónico se produce con una ΔG<0 que se invierte en la generación de un gradiente electroquímico de protones a través de la Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) membrana tilacoidal (Ciclo Q) – Cit b6 posee dos grupos hemo 42

Plastocianina • Es un transportador proteico que contiene un centro de cobre – Se localiza en la luz del tilacoide – Un átomo de Cu está coordinado a His (2), Cys y Met – Recoge los e- a la salida del complejo b6f Cu2+ + 1e- Cu+ – Será el dador electrónico encargado de rellenar el hueco en el P700+ del PSI después de su excitación y pérdida del e- – E’o está influenciado por el entorno proteico Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Stryer 43

Fotosistema PSI • Absorbe un fotón excitándose P700 a P700* – P700* tiene un Eo’ = -1.3v (reductor muy potente) • El electrón de P700* es robado por un aceptor clorofílico (Ao) Mathews (mod por García Ferris) quedando como P700+ – Ao transfiere el e- a A1 (filoquinona) y esta a proteínas Fe-S (Fx,FA,FB) y después a ferredoxina (Fd, proteína Fe-S soluble localizada en el estroma • El hueco electrónico lo rellena Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) la plastocianina (PC) que transporta el e- procedente del complejo cit b6f Stryer PSI 44

Organización Espacial del Fotosistema PSI PSI es un trímero compuesto por dos subunidades embebidas en la membrana tilacoidal (A, B) y una subunidad (C) orientada hacia el estroma Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Lehninger 45

Ferredoxina y Ferredoxina-NADP+ Reductasa • Ferredoxina es una proteína soluble del estroma con centro Fe-S (Fe2S2) – Transporta un e- a la ferredoxina-NADP+ reductasa (FNR) • FNR es una flavoproteína, acepta dos e- procedentes de dos Fdred generando FADH2, el cual cede un ión hidruro (:H-) al NADP+ formándose NADPH y H+ Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Stryer 46

Ecuación Global de la Fase Luminosa de la Fotosíntesis en Plantas 2 H2O + 2 NADP++ 8 fotones  O2 + 2 NADPH + 2 H+ Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) La transferencia de 4e- es impulsada por 8 fotones y 12H+ aparecen en el lumen tilacoidal – 8H+ se bombean por el ciclo Q en el complejo cit bf – 4H+ durante la escisión de una molécula de H2O 47

Cadena Electrónica Mitocondrial y Fotosintética • En ambas cadenas los transportadores de e- se localizan en complejos estroma proteicos embebidos en una membrana, conectados por lumen del tilacoide transportadores móviles – El transporte de e- genera un Stryer gradiente de H+ que impulsa espacio la síntesis de ATP (ATP intermembrana sintasa en orientación adecuada en función de la Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) dirección del gradiente de H+) matriz 48

Balance de la Fotofosforilación Estroma • Entre (3-4)H+ deben 4H+(estroma) retornar al estroma para impulsar la síntesis de una ATP ADP+Pi molécula de ATP (fotofosforilación no cíclica) – Por cada 2e- que se CF1 ATP sintasa transfieren desde el agua al NADP+ para formar una molécula de NADPH se CF0 producen 2 (1.5) moléculas de ATP 4H+(lumen) 6H+ P/2e-= = 2(1.5) ATP 3H+(4H+ )/ATP Lumen tilacoidal Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) García Ferris ATP y NADPH serán utilizados para la síntesis de hidrato de carbono en el estroma 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H2O + 18ATP C6H12O6 + 12NADP+ + 18ATP + 18Pi 49

Fotofosforilación cíclica • A veces no es necesario generar NADPH (no se dispone de NADP+) pero sí generar ATP – En este caso se produce un transporte cíclico de e- funcionando sólo PSI que cede el e- a Fd  PQ  cit bf  PC hasta P700 rellenando el hueco electrónico – El paso de e- por el complejo bf libera energía que se invierte en el bombeo de H+ al lumen tilacoidal para impulsar la Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) síntesis de ATP (fotofosforilación cíclica) Mathews 50

Fotosíntesis en Procariotas • En procariotas los componentes de la cadena de transporte electrónico, fotosistemas, y ATP sintasa se encuentran en la membrana plasmática – Muchos procariotas poseen un solo fotosistema – Algunas bacterias utilizan dadores de e- distintos del H2O, como el SH2 espacio periplásmico P870 Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Las cianobacterias poseen 2 fotosistemas, compartiendo intermediarios con la cadena respiratoria La ATP sintasa es común 51

Bioquímica gD Tema 7 (UVEG) Topología del Movimiento de H+ y ATP sintasa 52

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Fosforilacion Oxidativa

by leamotoya on Aug 13, 2009

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