TEMA 9 LA FOTOFOSFORILACION

TEMA 9. LA FOTOFOSFORILACIÓN
Introducción.
Desarrollo
Histórico.
Fotofosforilación
cíclica
y
acíclica.
Funcionamiento del conjunto de las dos
fotofosforilaciones.
Mecanismo
de
la
fotofosforilación.
Introducción
La fotofosforilación es la forma por la que los
organismos fotosintéticos capturan la energía de la luz
solar y la utilizan para sintetizar ATP. Este mecanismo
se realiza en los cloroplastos gracias a una oxidación
de agua a oxígeno utilizando el NADP como aceptor
electrónico fundamental.
Historia
En 1954, Arnon demostró que la incidencia de luz
sobre
cloroplastos, poseyendo estos cantidades
suficientes de ADP y grupos fosfato, da lugar a la
síntesis de ATP, siendo proporcional su cantidad al
flujo electrónico inducido por luz.
Este proceso sólo se produce en las lamelas de los
cloroplastos, siendo la única fuente de energía posible
los fotones provenientes de la luz solar.
En 1957, suministró evidencias experimentales del
acoplamiento entre fotofosforilación y fotorreducción
del NADP*.También demostró lo que más tarde se
llamó “fotofosforilación cíclica”, en la que no había
producción ni gasto de oxígeno.
Entre 1954 y 1955, W.A.Frenkel, descubrió que,
mediante la iluminación de las vesículas membranosas
de la bacteria fotosintética Rodospirillum rubrum, se
producía un proceso de fosforilación semejante al
defendido por Arnon. Esto indica que la formación de
ATP a partir de ADP y fosfato sería una consecuencia
del acoplamiento energético de la fotofosforilación al
proceso de transporte de electrones fotoinducido, de
manera similar al acoplamiento mitocondrial entre
fosforilación oxidativa y transporte electrónico.
Fotofosforilación cíclica y acíclica
Cíclica
Este tipo de fotofosforilación comienza cuando un
cuanto de luz es absorbido por la clorofila, que se
excita y envía un electrón a un estado de mayor nivel
energético. Este electrón es transferido a un aceptor
adyacente a la clorofila, con un potencial de óxidoreducción fuertemente electronegativo.
Una
vez
formado
este
reductor
fuertemente
electronegativo, no son necesarios nuevos aportes de
energía.
La liberación de energía se consigue debido a
sucesivas transferencias del electrón dentro del
cloroplasto, produciéndose un flujo de electronoes
desde
reductores
más
electronegativos
hasta
aceptores de electrones con potenciales más
electropositivos.
Algunas de las transferencias de electrones, sobre
todo aquellas que implican la presencia de citocromos,
devuelven el electrón a la molécula de clorofila.
Acíclica/no cíclica
El primer paso de esta fotofosforilación es idéntico al
de la anterior, pero estos electrones eliminados de la
clorofila son reemplazados por electrones procedentes
de la fotólisis del agua. Así, la luz induce un flujo de
electrones desde el agua hasta el NADP* y una
fosforilación acoplada a ese flujo.
Funcionamiento
conjunto
fotofosforilaciones.
de
las
dos
Antes de que se descubriera la fotofosforilación
acíclica, se consideraba a la cíclica como la única
fuente de ATP para la fijación del anhídrido carbónico,
pero una vez que esto se produjo, esta hipótesis no
pudo seguir manteniéndose, ya que la acíclica
producía los tres productos de la fase luminosa de la
fotosíntesis: ATP, NADPH y oxígeno.
Actualmente se consideran como posibles funciones
de la fotofosforilación cíclica:
1)Producción de ATP para otros procesos diferentes a
la asimilación del anhídrido carbónico.
2)Refuerzo de la fotofosforilación acíclica en cuanto a
la producción del ATP necesario para la fijación del
anhídrido carbónico.
Las
estequiometrías
siguientes
apoyan
lo
anteriormente afirmado:
Fotofosforilación no cíclica: ATP/NADPH=1,ATP/2e=1
Fijación del CO :ATP/NADPH=1,5 (3 ATP y 2 NADPH por
cada molécula de anhídrido carbónico).
Para obtener evidencias experimentales de que el ATP
necesario era suministrado por la fotofosforilación
cíclica, se trabajó con cloroplastos reconstituidos a
los que se adicionaron cantidades catalíticas de ADP y
NADP*, en tres condiciones distintas, todas ellas con
la fase fotoquímica limitada:
1) A la fotofosforilación no cíclica.
2) A la fotofosforilación cíclica.
3) A ambas fotofosforilaciones.
En los dos primeros casos, la asimilación quedaba
restringida a la producción de fosfoglicerato, en el
primero por falta de ATP y en el segundo, de NADPH.
Tan sólo en el tercero, se conseguía la formación de
azúcar-fosfatos y se podía demostrar que la
asimilación había sido completa.
Mecanismo de la fotofosforilación
Se distinguen tres fases en el proceso de formación de
ATP:
1) Captura de la energía en los complejos de
oxidación
2) Transporte de esta energía hasta los lugares
de fosforilación
3) Utilización de esta energía para la síntesis de
ATP
A lo largo de la segunda mitad del siglo XX se han
propuesto numerosas hipótesis:
En 1953, Slater propone la “hipótesis del acoplamiento
químico”, que postula la existencia de un intermediario
químico rico en energía común entre la reacción de
transferencia electrónica productora de energía y la
reacción consumidora de energía en la que se forma
ATP. Esta hipótesis no fue aceptada por la
inextistencia
de
las
suficientes
pruebas
experimentales.
El 1964, Boyer propuso la “hipótesis del acoplamiento
conformacional”, que postula que la captura y
transmisión de la energía tiene lugar por un cambio
conformacional en algunas proteínas. Tampoco fue
aceptada por la misma razón que la anterior.
La hipótesis admitida actualmente es la propuesta por
Peter Mitchell en 1961, “la hipótesis quimiosmótica”
(Fig. 1), en la que no se habla de un intermediario
químico. Mitchell propone que el flujo de electrones a
través del sistema transportador, conduciría protones
a través de las membranas de cloroplastos,
mitocondrias y células bacterianas.
(Fig 1. Hipótesis quimioosmótica)
A consecuencia de ello, se crea un gradiente
electroquímico de protones a través de la membrana,
el cual consta de una diferencia en la concentración
de protones (que causa una diferencia de pH), y una
diferencia de potencial eléctrico. La síntesis de ATP
se lleva a cabo por un flujo de protones en sentido
inverso, a favor de gradiente.
La membrana ha de hallarse intacta, en forma de
vesícula contínua cerrada para que se verifique la
fosforilación. Los transportadores de electrones deben
estar colocados secuencialmente, de tal forma que
alternen con los transportadores de átomos de
hidrógeno, que deben estar orientados en la membrana
de tal forma que, sea cual sea el lugar de procedencia
del electrón, el protón que lo complementa debe
proceder del exterior de la membrana, y cuando cedan
los electrones al respectivo transportador, el protón
complementario debe ser liberado en el interior de la
membrana.
Los primeros protones internos son los liberados a
partir de la fotólisis del agua, que constituye el sitio II
de conservación de energía. El segundo grupo de
protones penetra en el interior durante la reoxidación
de la plastoquinona y representa el sitio I.
Este proceso está catalizado por una ATPasa (Fig. 2)
transportadora de
protones localizada en
las
membranas de los tilacoides. La porción expuesta de
la superficie y en contacto con el estroma se
denomina CF1 y se une a un componente hidrofóbico
que forma parte de la membrana, denominado CF0 y
que sirve como canal de protones. La ATPasa consta
de 9 subunidades, cinco para la CF1 y cuatro para la
CF0. Las subunidades pertenecientes a la CF1 son
denominadas por las letras a,b,g,d,e.
(Fig. 2) ATPasa
La proteína hidrofóbica CF0 está formada por cuatro
subunidades. Las subunidades I y II participan en la
unión con CF1, y la subunidad III constituye el canal de
protones. Una molécula de diciclohexilcarbodiimida
(DCCD) se une a un residuo glutamato de la subunidad
III inhibiendo la translocación de protones. La
subunidad IV está implicada en esta translocación.
Se han hecho numerosas especulaciones sobre el
mecanismo de síntesis de ATP en el locus activo del
complejo CF1, pero ninguna ha sido concluyente. Se
especula con la posibilidad de que CF1 contenga tres
sitios idénticos para la unión de nucleótidos y fosfato,
pudiendo esquematizarse el proceso en tres pasos:
1) Unión de ADP y fosfato a CF1
2) Formación de ATP
3) Liberación del ATP formado
El gradiente de protones regula los cambios
conformacionales necesarios para los tres estados, lo
que implica una rotación del hexámero a , b .
En el lugar de formación de ATP en el complejo CF1,
ADP y Pi se unen al enzima, liberándose protones del
fosfato terminal de ADP e hidroxilos del Pi. Se forma
ATP, que queda unido al complejo.
Cuando los protones pasan a través de la CF1, se
produce un cambio conformacional que libera al ATP y
es posible la entrada de otro ADP y Pi.
Jimena Quintana