Química Biológica

Facultad de Ciencias Exactas. La secta

FOTOSÍNTESIS

Otra secuencia de reacciones en las que se acopla el flujo de electrones a la

síntesis de ATP: la fosforilación impulsada por la luz.

La ecuación global de la fotosíntesis en las plantas describe una reacción de

oxidación-reducción en la que el H2O cede electrones (en forma de hidrógeno)

para la reducción del CO2 a glúcido (CH2O):

Características de la fotofosforilación

A diferencia del NADH (el principal dador de electrones de la fosforilación

oxidativa), el H2O es un dador electrónico pobre, su potencial de reducción estándar es 0,816 V, en

comparación con -0,320 V del NADH. La fotofosforilación difiere de la fosforilación oxidativa en que

necesita el aporte de energía en forma de luz para crear un buen dador electrónico.

En la fotofosforilación los electrones fluyen a través de una serie de transportadores ligados a

membrana (citocromos, quinonas y proteínas ferro-sulfuradas), al tiempo que se bombean protones a

través de la membrana para crear un potencial electroquímico. El potencial electroquímico que

producen es la fuerza motriz para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, catalizada por un complejo

ATP sintasa ligado a membrana.

La fotosíntesis abarca dos procesos:

Reacciones claras: o lumínicas, dependientes de la luz, Fotofosforilación.

Solo tienen lugar cuando se iluminan las plantas. Se absorbe energía de la luz

por la clorofila y otros pigmentos de la célula fotosintética, y se toman electrones

del agua, produciendo ATP y NADPH, y liberando simultáneamente O2. Se

produce un intercambio de protones desde el estroma hacia el lumen, de los 14

protones del estroma, 12 son utilizados para generar un gradiente de potencial,

que se usa para sintetizar ATP.

Reacciones oscuras: o asimilación/fijación de carbono, no precisan de luz, son

impulsadas por productos de las reacciones luminosas. Ciclo de calvin. Se utilizan

ATP y NADPH para reducir el CO2 y formar carbohidratos.

Cloroplastos

En las células eucariotas fotosintéticas, sobre todo en las plantas, tanto las

reacciones dependientes de la luz como las de fijación de carbono tienen

lugar en los cloroplastos, orgánulos intracelulares limitados por una

membrana.

Al igual que las mitocondrias, están rodeados de dos membranas, una

externa que es permeable a pequeñas moléculas e iones, y una interna que

encierra el compartimiento interno. Este compartimiento contiene muchas

vesículas o sacos aplanados y rodeados de membrana llamados tilacoides,

que están normalmente ordenados en forma de pilas denominadas grana.

Los pigmentos fotosintéticos y los complejos enzimáticos que llevan a cabo

las reacciones luminosas y la síntesis de ATP están incrustados en las

membranas de los tilacoides, llamadas lamelas.

El estroma (fase acuosa encerrada por la membrana interna) contiene la

mayoría de los enzimas requeridos para las reacciones de asimilación de

carbono.

Reacción de Hill

La luz impulsa un flujo de electrones en los cloroplastos, desde el H2O a un

aceptor electrónico.

Cuando se iluminan extractos de hoja que contienen cloroplastos, se

desprende O2 y se reduce un aceptor de electrones no biológico añadido al

medio, según la reacción de Hill:

Vista previa parcial del texto

¡Descarga fotosíntesis bioquimica ingenieria quimica y más Esquemas y mapas conceptuales en PDF de Bioquímica solo en Docsity!

Facultad de Ciencias Exactas. La secta

FOTOSÍNTESIS

Otra secuencia de reacciones en las que se acopla el flujo de electrones a la síntesis de ATP: la fosforilación impulsada por la luz. La ecuación global de la fotosíntesis en las plantas describe una reacción de oxidación-reducción en la que el H 2 O cede electrones (en forma de hidrógeno) para la reducción del CO2 a glúcido (CH 2 O): Características de la fotofosforilación A diferencia del NADH (el principal dador de electrones de la fosforilación oxidativa), el H2O es un dador electrónico pobre, su potencial de reducción estándar es 0,816 V, en comparación con -0,320 V del NADH. La fotofosforilación difiere de la fosforilación oxidativa en que necesita el aporte de energía en forma de luz para crear un buen dador electrónico. En la fotofosforilación los electrones fluyen a través de una serie de transportadores ligados a membrana (citocromos, quinonas y proteínas ferro-sulfuradas), al tiempo que se bombean protones a través de la membrana para crear un potencial electroquímico. El potencial electroquímico que producen es la fuerza motriz para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, catalizada por un complejo ATP sintasa ligado a membrana. La fotosíntesis abarca dos procesos: Reacciones claras : o lumínicas, dependientes de la luz, Fotofosforilación. Solo tienen lugar cuando se iluminan las plantas. Se absorbe energía de la luz por la clorofila y otros pigmentos de la célula fotosintética, y se toman electrones del agua, produciendo ATP y NADPH, y liberando simultáneamente O2. Se produce un intercambio de protones desde el estroma hacia el lumen, de los 14 protones del estroma, 12 son utilizados para generar un gradiente de potencial, que se usa para sintetizar ATP. Reacciones oscuras : o asimilación/fijación de carbono, no precisan de luz, son impulsadas por productos de las reacciones luminosas. Ciclo de calvin. Se utilizan ATP y NADPH para reducir el CO2 y formar carbohidratos. Cloroplastos En las células eucariotas fotosintéticas, sobre todo en las plantas, tanto las reacciones dependientes de la luz como las de fijación de carbono tienen lugar en los cloroplastos, orgánulos intracelulares limitados por una membrana. Al igual que las mitocondrias, están rodeados de dos membranas, una externa que es permeable a pequeñas moléculas e iones, y una interna que encierra el compartimiento interno. Este compartimiento contiene muchas vesículas o sacos aplanados y rodeados de membrana llamados tilacoides , que están normalmente ordenados en forma de pilas denominadas grana. Los pigmentos fotosintéticos y los complejos enzimáticos que llevan a cabo las reacciones luminosas y la síntesis de ATP están incrustados en las membranas de los tilacoides, llamadas lamelas. El estroma (fase acuosa encerrada por la membrana interna) contiene la mayoría de los enzimas requeridos para las reacciones de asimilación de carbono. Reacción de Hill La luz impulsa un flujo de electrones en los cloroplastos, desde el H2O a un aceptor electrónico. Cuando se iluminan extractos de hoja que contienen cloroplastos, se desprende O2 y se reduce un aceptor de electrones no biológico añadido al medio, según la reacción de Hill:

Facultad de Ciencias Exactas. La secta donde A es el aceptor de electrones artificial o reactivo de Hill. Ej. 2,6-diclorofenolindofenol, en su forma oxidada es azul (A), y en su forma reducida es incoloro (AH2); así es fácil seguir la reacción. El NADP+ es el aceptor electrónico biológico en los cloroplastos. En la oscuridad no se desprendía O2 ni se reducía el colorante. Absorción de luz La luz visible es radiación electromagnética de longitud de onda entre 400 y 700 nm, que es una pequeña parte del espectro electromagnético, yendo desde el violeta al rojo. La energía de un fotón individual (un cuanto de luz) es mayor en el extremo violeta del espectro que en el rojo; longitudes de onda menores (y mayor frecuencia) corresponden a una mayor energía. Cuando se absorbe un fotón se eleva un electrón de la molécula que lo absorbe (cromóforo) a un nivel energético superior. Para ser absorbido, el fotón ha de contener una cantidad de energía (un cuanto ) que iguale exactamente la energía de la transición electrónica. Una molécula que ha absorbido un fotón se encuentra en un estado excitado que es inestable. Los electrones elevados a orbitales de energía superior usualmente vuelven rápidamente a sus orbitales de menor energía; la molécula excitada vuelve (decae) al estado basal estable, dejando ir el cuanto absorbido en forma de luz (fluorescencia) o calor o utilizándolo para realizar trabajo químico. En la fotosíntesis se produce un modo alternativo de decaimiento; un proceso denominado transferencia de excitón, que implica la transferencia directa de la energía de excitación desde una molécula excitada a una molécula vecina. De la misma manera que el fotón es un cuanto de energía luminosa, el excitón es un cuanto de energía pasada desde una molécula excitada a otra molécula. Fotopigmentos Para oxidar una molécula con un potencial de reducción muy positivo como el agua, se requiere de una fuente de energía externa. La fuente de energía lumínica puede ser aprovechada por la presencia fotopigmentos, presentes en muy alta concentración en los cloroplastos, y en las membranas de las bacterias fotosintéticas. Éstas moléculas tienen dos características dadas por su estructura: ・ la capacidad de absorber luz en la zona del visible, lo que significa que tienen una pequeña diferencia de energía entre el estado excitado y el estado basal, ・ y además un alto potencial de transferencia de carga sin disiparse como energía térmica. El fotopigmento más conocido es la clorofila en las plantas. Es un pigmento verde con estructura policíclica plana que tiene la posición central ocupada por Mg2+, y los cuatro átomo de nitrógeno orientados hacia el interior de la clorofila están coordinados con el Mg2+. Todas las clorofilas tienen una cadena lateral larga llamada fitol. La clorofila es fácilmente excitable porque tiene una región de doble enlaces conjugados, que permiten estabilizar el estado excitado, haciendo que la energía de ese estado con respecto al basal no sea tan grande. Los cloroplastos siempre contienen clorofila A y clorofila B, las cuales tiene espectros de absorción diferentes, por lo que se complementan sus gamas de absorción de la luz en la región visible: ・ Clorofila A: es un anillo tetrapirrólico el cual tiene asociado un átomo de Mg2+ y otros residuos, además una larga cadena hidrofóbica llamada fitol por una unión acetilo. Puede absorber en 400-450 nm y en 650-700 nm. ・ Clorofila B: en lugar de tener un metilo tiene un aldehído, que le confiere diferencia en los espectro de absorción,

Facultad de Ciencias Exactas. La secta

NADP+ reductasa Acepta los electrones de la ferredoxina. A partir de NADP+ y un protón del estroma, produce NADH que será utilizado en la fase oscura, proceso conocido como fotorreducción. Fase ciclila Si hay una gran demanda de ATP, o si todo el NADP+ ya está reducido. La ferredoxina, cederá los electrones al citocromo b 6 f, se formaría una cadena de electrones cíclica, no participa el PSII, no hay fotólisis, ni fotorreducción, solo fotofosforilacion. Reacciones luminosas En las reacciones luminosas de las plantas, la absorción de un fotón de luz excita moléculas de clorofila y otros pigmentos accesorios, las cuales pueden disipar la energía absorbida en forma de calor o pueden aprovecharla (es lo que generalmente pasa) canalizándola hacia centros de reacción situados en las membranas tilacoides. En los centros de reacción la fotoexcitación produce una separación de cargas que produce una especie que es un buen dador electrónico (agente reductor) y otro que es un buen aceptor electrónico.
La luz excita una molécula antena (clorofila o pigmento accesorio), elevando un electrón a un nivel energético superior.
Transferencia de energía por resonancia desde la clorofila antena excitada a una molécula de clorofila vecina, que queda excitada al tiempo que la primera molécula vuelve a su estado basal. La transferencia por resonancia se produce cuando dos moléculas se encuentran próximas, fijas, orientadas, y tienen estados basal y excitado de energía muy similar.
Esta transferencia de energía (excitones) se repite hasta que se excita una clorofila del centro de reacción.
En esta molécula de clorofila excitada se promueve el paso de un electrón a un orbital de energía superior. Este electrón pasa a continuación a un aceptor electrónico vecino que forma parte de la cadena de transferencia electrónica, quedando éste con carga (-) y dejando la clorofila del centro de reacción con un electrón menos, es decir con carga (+).
El electrón perdido por la clorofila del centro de reacción es reemplazado por un electrón de una molécula dadora de electrones vecina, quedando la clorofila del centro de reacción neutra y la molécula vecina con carga (+).

Facultad de Ciencias Exactas. La secta Citocromo bf La citocromo bf es: ・ Un sistema proteico con grupos prostéticos asociado a la membrana. ・ Similar al citocromo bc, complejo tres de la cadena respiratoria. ・ Un intermediario entre los dos fotosistemas, es el que produce el mayor flujo de protones desde el estroma hacia el lumen del tilacoide. A través de las plastoquinonas, que son las moléculas que llegan en estado reducido al sistema, y en una serie de reacciones les transfieren electrones a este sistema, y en ese proceso se produce un flujo de protones, finalmente los electrones son transferidos a la plastocianina. El gradiente de protones que produce el citocromo bf, que por cada dos moléculas de agua produce una transferencia de ocho protones sumando los protones formados por la ruptura del agua para dar oxígeno y protones, induce un gradiente alto de pH, que es favorecido por el hecho de que el lumen tilacoidal es un espacio sumamente reducido, entonces está diferencia en la cantidad de protones entre el lumen y el estroma, cuando se traduce en concentración es una diferencia de hasta tres órdenes de magnitud, es decir de tres puntos de pH, se puede producir una diferencia de pH de ocho en el estroma y cinco en el lumen tilacoidal. Otra característica que lo diferencia de la fosforilación oxidativa es que la principal fuente de energía en el gradiente electroquímica es la diferencia de pH y no tanto la del potencial, cómo si es en la fosforilación oxidativa. Debido a que el lumen tilacoidal es un espacio tan reducido, lo que impacta es la diferencia de pH entre un espacio y el otro. El flujo de electrones a través del complejo del citocromo b6f impulsa los protones a través de la membrana plasmática, creando una fuerza protón-motriz que proporciona la energía para la síntesis de ATP por una ATP sintasa. Síntesis de ATP por fotofosforilación Las actividades combinadas de los dos fotosistemas de plantas transportan electrones desde el agua al NADP, conservando parte de la energía de la luz absorbida en forma de NADPH. Se bombean protones a través de las membranas de los tilacoides y la energía se conserva en forma de potencial electroquímico, el cual impulsa la síntesis de ATP, otro producto conservador de la energía de las reacciones dependientes de luz. El ATP se genera a partir del ADP y del Pi, dependiente de la luz se da en estructuras membranosas con pigmentos denominadas cromatóforos , procedentes de bacterias fotosintéticas. Parte de la energía luminosa capturada por los sistemas fotosintéticos de estos organismos se transforma en energía del enlace fosfato del ATP, este proceso se denomina fotofosforilación , para distinguirlo de la fosforilación oxidativa de las mitocondrias que respiran. Un gradiente de protones acopla el flujo electrónico con la fosforilación. Varias propiedades de la transferencia electrónica fotosintética y de la fotofosforilación en cloroplastos indican que un gradiente de protones juega el mismo papel que el que juega que en la fosforilación oxidativa mitocondrial: (1) los centros de reacción, transportadores electrónicos y enzimas formadores de ATP están localizados en una membrana impermeable a los protones, la membrana del tilacoide , que ha de estar intacta para llevar a cabo la fotofosforilación. (2) Se puede desacoplar la fotofosforilación del flujo electrónico mediante reactivos que promueven el paso de protones a través de la membrana del tilacoide. (3) Se puede bloquear la fotofosforilación por agentes (venturicidina) que inhiben la formación de ATP a partir de ADP y Pi por la ATP sintasa de las mitocondrias. (4) La síntesis de ATP es catalizada por complejos. Las moléculas transferidoras de electrones en la cadena de transportadores que interconecta PSII con PSI están orientadas de forma asimétrica en la membrana del tilacoide.

Facultad de Ciencias Exactas. La secta Tambien pueden utilizan compuestos orgánicos como dadores de electrones, por ejemplo, lactato, la reacción se da con luz: 2 Lactato + CO 2 → (CH 2 O) + H 2 O + 2 piruvato Las cianobacterias modernas pueden sintetizar ATP por fosforilación oxidativa o por fotofosforilación, aunque no tienen ni mitocondrias ni cloroplastos. Fase oscura El ciclo de calvin se lleva a cabo en la fase oscura, en donde se utiliza la energía y el poder reductor obtenido en la fase luminosa, para poder sintetizar materia orgánica a partir de inorgánica. También se la denomina vía de los tres carbonos. En eucariotas ocurre en el estroma de los cloroplastos, en procariotas (bacteria) en el citoplasma. Si bien en ningún momento interviene la absorción de luz en estas etapas, si son necesarias moléculas que son sintetizada por las reacciones que ocurren en presencia de luz. Sin la presencia de ATP o NADPH se desacelera el ciclo, y se observa la acumulación de alguno de los metabolitos. Desde la mitocondria pueden acceder algunas moléculas de ATP o de NADPH por la fosforilación oxidativa y por ciclo de Krebs.

Fase de carboxilación Las 6 moléculas de ribulosa-1,5-bifosfato es carboxilada (se le añaden 6 moléculas de dióxido de carbono atmosférico). Se necesitan seis moléculas de ribulosa para obtener, al final del ciclo, una molécula de glucosa. Enzima: rubisco (ribulosa bifosfato carboxilasa oxidasa). En esta reacción se forman 6 arabinitol (inestable, 6C), rápida y espontáneamente se hidrata de modo se transforman en 12 moléculas de 3-fosfoglicerato (3C).
Fase de reducción Se utilizan los ATP y NADPH obtenidos en la fase luminosa para reducir los gliceratos, aumentando su energía química. 12 gliceratos son transformados en: 7 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato y 5 moléculas de dihidroxiacetona fosfato. Enzima: quinasa, gestiona los grupos fosfato de los ATP. Se consumen 12 ATP y se liberan 12 ADP. Obteniendo 12 moléculas de 1,3-bisfosfoglicerato. Enzima: deshidrogenasa. Se consumen 12 NADPH y se liberan 12 NADP+, cada molécula pierde uno de sus fosfato entonces tenemos 12 Pi. Obteniendo 12 gliceraldehido-3-P, de los cuales, 5 isomerizan a dihidroxiacetona fosfato. Enzima: isomerasa. Ahora dividimos al ciclo en dos vías: formación de hexosas y regeneración.
Fase de formación de hexosas Tres moléculas de gliceraldehído-3-fosfato y tres de dihidroxiacetona fosfato serán utilizadas para sintetizar 3 moléculas de fructosa-6-fosfato. De ellas solo una sale del ciclo para ser transformada en glucosa-6-fosfato y almacenada como almidón. Las otras dos moléculas de fructosa 6 fosfato vuelven al ciclo, entrando en la siguiente fase. Con la acción de una aldolasa, que forma 3 de fructosa-1,6-bisfosfato inmediatamente actúa una fosfatasa que quita un grupo fosfato a cada una de las moléculas, resultando tres moléculas de fructosa-6-fosfato, de estas tres una es nuestro resultado neto que puede ser transformada por una isomerasa en glucosa-6-fosfato, la cual puede entrar en el ciclo de glucólisis.
Fase de regeneración Busca regenerar la ribulosa 1,5 bisfosfato para reiniciar el ciclo. Utiliza 4 moléculas de gliceraldehido-3-fosfato, más 2 moléculas de dihidroxiacetona fosfato, más 2 moléculas de fructosa-6-fosfato, a través de una serie de reacciones de reorganización de átomos de carbono, en donde actúan aldolasas, transcetolasas, fosfatasa, van a ir produciendo compuestos como glucosa (4C), tetrosas, hectosas, pentosas; para ser finalmente transformadas en 6 moléculas de ribulosa-6-fosfato, la cual necesita de una activación con 6 ATP que van a darle el fosfato alto energético y producir la ribulosa-1,5- bifosfato del inicio de la ruta.

Facultad de Ciencias Exactas. La secta

fotosíntesis bioquimica ingenieria quimica, Esquemas y mapas conceptuales de Bioquímica

Normalmente descargados juntos

Documentos relacionados

Vista previa parcial del texto

¡Descarga fotosíntesis bioquimica ingenieria quimica y más Esquemas y mapas conceptuales en PDF de Bioquímica solo en Docsity!

FOTOSÍNTESIS