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Fotosíntesis - Fase Clara
Bioquímica II
Universidad Nacional de Quilmes
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Fotosíntesis
CO + H 0 + Luz2 2 (CH O) + O2 n 2
Fase Clara+H O + Luz + NADP 2
+ADP + Pi
O + NADPH2+ + ATP + H
Fase Oscura
CO + NADPH2++ ATP + H O + H 2
+(CH O) + NADP 2 n
+ ADP + Pi
Son dos procesos acoplados
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¿Qué es la luz ?
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Es una radiación electro-magnética, cuya mínima
cantidad es finita: fotones.Se la puede caracterizar por
su longitud de onda(), por su frecuencia ()
y su polarización. Cada fotón posee una energía
asociada que depende de su frecuencia.
EM
c /
Eh ·
2410
2210
2010
1810
1610
1410
1210
1010
0810
0610
0410
0210
00 10 (1/s)
-1610 -1410 -1210 -1010 -810 -610 -410 -210 010 0210 0410 0610 08 10 (nm)
-rays x-rays UV IR Microondas Radio Radio onda larga
400 500 600 700 (nm)
Nosotros (los humanos)sólo vemos una pequeña parte del espectro electromagnético.
Algunas moléculas son capaces de absorber la energía de los fotones.
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h ·
{Pigmento
Electrón en estado basal
Electrón en estado exitado
¿De que formas puedevolver al estado basal?
¿Qué ocurre cuando una molécula absorbe luz?
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¿Qué ocurre cuando una molécula absorbe luz?
Disipación térmica Fluorescencia/Fosforescencia
Transferencia por resonancia Fotooxidación
h ·
¿Qué moleculas absorben luz?
h · h ·
h · h ·
A B A B
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Phytol
CH3
CH
2
CH C
H2
CH3
N
N N
Mg
CH3
CH
CH2
N
OCH2
C O
CH
2
CH3
CH3
CH3
CH
2
CH3
CH3
CH2
CH
2
O
OC
H2
CH
CH3
CH
2
C
H2
3
Clorofila a
Pigmentos...
Los pigmentos tienen grandes regiones de su molécula en resonancia formando un orbital .
Cuando un fotón excita a unamolécula de un pigmento, unelectrón del orbital da un saltode energía.
El pigmento más importante en la fotosintesis es laclorofila. Hay varios tipos de clorofila, de ellos laclorifilas a y b son las más abundantes.Las bacterias poseen bacterio-clorofila en lugar de clorofila.
Est. de resonancia.
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COOHHOOC
C HCH3C H3CH 2C H2CH 3
O
C HCH3
CH
NH
CH
NH
CH
2
C H
NH
ONH
CH2
C H2
C H3
C H2
Ficoeritrobilina
-carotenoC H
3C H
3
C H3
C H3
CH3
CH 3
C H3
CH 3 C H3
C H3
Pigmentos...Otros pigmentos importantes son -carotenoy ficoeritrobilina.
Est. de resonancia. ¿Por qué tantos pigmentos distintos?
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400 500 600 700
100%
0%
400 500 600 700
100%
0%
clorofila a
clorofila b-caroteno
ficoeritrobilina
ficocianina
Espectro de absorción del sol en la superficie terrestre
Espectros de absorción
Los pigmentos se encuentran asociados a proteínas de membrana. La aborsión en conjunto de todos los pigmentos resulta en un mejor aprovechamiento de la energía solar.
¿ … donde ocurre la fotosíntesis?
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400 500 600 700
100%
0%
clorofila a
clorofila b-caroteno
Eficiencia de la fotosíntesisa diferentes longitudes de onda
Espectros de absorción
¿ … donde ocurre la fotosíntesis?
400 500 600 700
100%
0%
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¿Donde ocurre la fotosíntesis?
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Estroma
Lumen
Citoplasma
Lumen
Cloroplastos
Membrana externa
Membrana interna
Complejos fotosintéticos
Espacio intermembrana
Membrana del tilacoide
Los cloroplastos son organelas presentes en plantas y algas fotosintéticas. Su tamaño está entre 2 y 10 m.
La membrana del tilacoide es permeable a iones,pero no a protones.
La membrana del tilacoide contiene a los pigmentos fotosintéticos
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Cloroplastos
Las dos fases de la fotosítensis se llevan a cabo en el cloroplasto.
La fase clara sobre la membrana del tilacoidey la fase oscura en el estroma.
Estroma
Lumen
Lumen
Grana de tilacoides
Fotosistema I
Fotosistema II
Citocromo b f6
ATPasa
Grana de tilacoides
Lamela de la grana
Lamela del estroma
Estroma
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Cloroplastos
Microscopia electrónica
Granas
Lamelas
Granosde almidón
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¿Como se produce la fotosintesis?
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Complejos antena
Fotosistema
Fotosistemas - antenas - centros reacción.
LHC-ILHC-II
Los pigmentos se encuentran en complejos proteicos:
- Complejos antena Captan energía de la luz yla transmiten por resonancia a los fotosistemasSe llaman LHC en plantas.(por Light Harvesting Complex).
- Fotosistemas
Contienen al centro de reacción. Contienen además otros pigmentos antenas y moléculas transportadoras de electrones.
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Fotosistemas - antenas - centros reacción.
LHC-I
LHC-II
Fotosistema
h ·
Estado basal
Estado exitado
Pigmentos antena Centro de reacción
Transferencia de energía
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¿Qué es el centro de reacción?
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Centro de reacción.
Par Especial
+ -
-
+
Clorofila en elcentro de reacción
Aceptor deelectrones
Dador deelectrones
Pigmento antena
Esta disposición deforma el orbital π, lo que facilita la pérdida de un electrón.
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¿Cómo es la cadena detransporte de electrones?
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Cadena de transporte - Esquema Z
Luz
Phe
PQa
PQb
cit b f6
Plastocianina
Luz
P680*
P700
P700* AoA1
Fe-S
Fd
+Fd/NADPOxidoreductasa
Complejogeneradorde O2
= Salto de un electrón+½ O 2 H2
H O2
+ +NADP + H
NADPH
Esquema de potenciales estándar de Red (Eº red)
+1
-1
0
P680
Hemirreacciones
= Excitación por un fotón
Muestra la energética del proceso.No muestra temporalidad ni localización.
= Centros de reacción
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Potenciales de reducción
Hemirreacciones de reducción
Reacción rédox
Dador (Ox) + n. e- Dador (Red)
Aceptor (Ox) + n. e- Aceptor (Red)
Dador (Red) Dador (Ox) + n. e-
Aceptor (Ox) + n. e- Aceptor (Red)
E ΔE ΔG
-0,5
-0,4
- -
- -
-0,4 - -
+0,5 - -
Dad.(Red) + Ac.(Ox) Dad.(Ox) + Ac.(Red) +0,1 < 0
Espontáneo
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Cadena de transporte - Esquema Z
Luz
P680*
+1
-1
0
P680
Hemirreacciones de reducción
P680(Ox) + e- P680* (Red)
P680(Ox) + e- P680° (Red)
E ΔE
-1
+1
-
-
Como suceden
P680°(Red) + h.v P680* (Red)
P680*(Red) P680 (Ox) + e-
P680(Ox) + e- P680° (Red)
1
2
3
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Cadena de transporte - Esquema Z
Luz
P680*
+1
-1
0
P680
Reacciones de rédox
P680(Ox) + e-
2
3
P680*(Red)
Aceptor (Ox) + e-
P680 (Ox) + e-
Aceptor (Red)
p680*(Red) + Ac.(Ox) P680(Ox) + Ac.(Red)
Dador (Red)
P680° (Red)
Dador (Ox) + e-
p680(Ox) + Dador(Red) P680º(Red) + Dador(Ox)
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Cadena de transporte - Esquema Z
Luz
Phe
PQa
PQb
cit b f6
Plastocianina
Luz
P680*
P700
P700* AoA1
Fe-S
Fd
+Fd/NADPOxidoreductasa
Complejogeneradorde O2
= salto de un electrón
+½ O 2 H2
H O2
+ +NADP + H
NADPH
Tabla de potenciales estandar de Red (Eº red)
+1
-1
0
P680
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Cadena de transporte - Esquema de membrana
P680
Fotosistema II
Estroma
Lúmen
cit b f6 Fotosistema I
Fd
+ Fd/NADP OR.
+ +NADP + H NADPH
H O2
+½ O +2H2
Plastocianina
Phe
PQa
PQH2
Ciclo Q
+2 H
+2 H
+2 x 2 H
Fe-S
PQb
Fe
Ao
A1
Fe-S
ATPasa
+n·H
ADP + Pi
ATP
+n·H
P700
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Cadena de transporte - Esquema de membrana
P680
Fotosistema II
Estroma
Lúmen
cit b f6 Fotosistema I
Fd
+ Fd/NADP OR.
+ +NADP + H NADPH
H O2
+½ O +2H2
Plastocianina
Phe
PQa
PQH2
Ciclo Q
+2 H
+2 H
+2 x 2 H
Fe-S
PQb
Fe
Ao
A1
Fe-S
ATPasa
+3H
ADP + Pi
ATP
+3H
P700
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+H
-e
+H
-e
+H
-e
+H
-e
Complejo Generador de Oxígeno
El complejo une dos moléculas de agua. +
El P680 quita cuatro electrones de a uno por vez a estas dos moléculas de agua.
Los iones Mn alteran su estados de oxidación entre las distintas etapas.
En la última etapa, se libera una molécula de oxígeno y se capturan otras dos moléculas de agua.
S0
S1
S2
S4
S3
h ·
+ -H + e
h ·
+ -H + eh ·
-e
h ·
-e
O2
2H O2
+p680
p680
+p680
p680
p680+p680
p680
+p680
H O2
H O2 H O2
HO·
H O2 2 HO2 O2
H O2
H O2 OO
O
O
OMn
Mn
Mn
Mn
H O2
H O2
Ca
S0 S1 S2 S3 S4
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Cadena de transporte - Esquema de membrana
Estroma
Lúmen
cit b f6 Fotosistema I
Fd
+ Fd/NADP OR.
+ +NADP + H NADPH
H O2
+½ O +2H2
Plastocianina
Ciclo Q
+2 H
+2 x 2 H
Fe-SFe
Ao
A1
Fe-S
ATPasa
+3H
ADP + Pi
ATP
+3H
P700P680
Fotosistema II
Phe
PQa
PQH2
+2 H
PQb
+P680 es el oxidante más fuerte de la cadena de transporte.
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Fotosistema II
Fe
Feofitina
Par especial de clorofilas del centro de reacción.
Centro de Mn delcomplejo
generador de O2
1
Clorofila (no se reduce)2
3
Plastoquinona A4
Plastoquinona B5
Tirosina Z 6
7
H O2Nuestra visión de la fotosíntesis se iniciacon la pérdida de un electrón del par especial de clorofilas.
Globalmente, el dadorde electrones es el H O.2
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Cadena de transporte - Esquema de membrana
P680
Fotosistema II
Estroma
Lúmen
cit b f6 Fotosistema I
Fd
+ Fd/NADP OR.
+ +NADP + H NADPH
H O2
+½ O +2H2
Plastocianina
Phe
PQa
PQH2
Ciclo Q
+2 H
+2 H
+2 x 2 H
Fe-S
PQb
Fe
Ao
A1
Fe-S
ATPasa
+3H
ADP + Pi
ATP
+3H
P700
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Citocromo b f - Ciclo Q - Plastocianina6
Citocr. F
Citocr. b6
Rieske
Quinona Red.Quinona Red.
Quinona Ox.
Hemiquinona
Hemo
Hemo
HemoHemo
1
2
3
4
5
La plastoquinonareducida generada en el PSII, entra en un ciclo Q. Idéntico al mitocondrial, y con el misma estequiometríade translocación de protones.
Los electrones quearriban al grupo hemo del citrocromo f son cedidos a la plastocianina.
+2H
Hemo
Hemo
Lumen
Estroma
Plastocianina
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Citocromo b f - Ciclo Q - Plastocianina6
Citocr. F
Citocr. b6
Rieske
Quinona Red.Quinona Red.
+2H + Hemiquinona
Quinona Red.
Hemo
Hemo
HemoHemo
6
7
8
9
10
+2H
Hemo
Hemo
Lumen
Estroma
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Cadena de transporte - Esquema de membrana
P680
Fotosistema II
Estroma
Lúmen
cit b f6 Fotosistema I
Fd
+ Fd/NADP OR.
+ +NADP + H NADPH
H O2
+½ O +2H2
Plastocianina
Phe
PQa
PQH2
Ciclo Q
+2 H
+2 H
+2 x 2 H
Fe-S
PQb
Fe
Ao
A1
Fe-S
ATPasa
+3H
ADP + Pi
ATP
+3H
P700
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Par especial de clorofilas del centro de reacción.
Clorofila (A )02
Quinona (A )13
Centros dehierro azufre4
1
Fotosistema I
Los electrones que pasan por los centros de hierro-azufre son cedidos finalmente a la ferredoxina.
Esta proteína está debilmenteasociada a la membrana y sufre reacciones redox de unelectrón.
Ferredoxina5
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Cadena de transporte - Ferredoxina/NADP oxidoreductasa
P680
Fotosistema II
Estroma
Lúmen
cit b f6 Fotosistema I
Fd
+ Fd/NADP OR.
+ +NADP + H NADPH
H O2
+½ O +2H2
Plastocianina
Phe
PQa
PQH2
Ciclo Q
+2 H
+2 H
+2 x 2 H
Fe-S
PQb
Fe
Ao
A1
Fe-S
ATPasa
+3H
ADP + Pi
ATP
+3H
P700
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Cadena de transporte - Ferredoxina/NADP oxidoreductasa
El FAD se reduce a FADH2, mediante dos eventos de transferencia de un electrón desde la ferredoxina
Ferredoxina
FAD/FADH2
NADP+/NADPH
El FADH2 reduce al NADP+ en un evento de transferencia de dos electrones
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Estequiometría De La Fotosíntesis
P680
Fotosistema II cit b f6 Fotosistema I
Fd
+ +NADP + H
NADPH
H O2
+½ O +2H2
PC
Phe
PQa
PQH2
Ciclo Q
+2 H+
2 H
+2 x 2 H
Fe-S
PQb
Fe
Ao
A1
Fe-S
P700
PQH2
+ Fd/NADP OR.
+2 H
+2 H
+2 H
+4 H
+ H
+0 H
+0 H
+0 H
Protones tomados del estroma
Proteones cedidos as lúmen del tilacoide
Dos fotonesDos fotones
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Cadena de transporte - ATPasa
P680
Fotosistema II
Estroma
Lúmen
cit b f6 Fotosistema I
Fd
+ Fd/NADP OR.
+ +NADP + H NADPH
H O2
+½ O +2H2
Plastocianina
Phe
PQa
PQH2
Ciclo Q
+2 H
+2 H
+2 x 2 H
Fe-S
PQb
Fe
Ao
A1
Fe-S
ATPasa
+n·H
ADP + Pi
ATP
+n·H
P700
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ATPasa
+H
ADP + Pi
ATP
Cadena de transporte - ATPasa
12 C
Subunidad C
+H
+ H Lumen
+ H Estroma
La ATPasa da un giro completo cuando se ha translocado un
protón por cada subunidad C
Por cada giro completo se obtienen 3 moléculas de ATP
+ +Se requieren 12H / 3 ATP = 4H / ATP
Estequiometría general+
2H O + 8 h.v + 3ADP + 3Pi + 2NADP2 O + 3 ATP + 2NADPH2
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Luz
Phe
PQa
PQb
cit b f6
Plastocianina
Luz
P680*
P700
P700* AoA1
Fe-S
Fd
+Fd/NADPOxidoreductasa
Complejogeneradorde O2
= salto de un electrón
+½ O 2 H2
H O2
+ +NADP + H
NADPH
Tabla de potenciales estandar de Red (Eº red)
+1
-1
0
P680
Fotosíntesis cíclica.
En ciertas situaciones no es necesario generar poder reductor, pero si energía.
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Phe
PQa
PQb
cit b f6
Plastocianina
Luz
P680*
P700
P700* AoA1
Fe-S
Fd
+Fd/NADPOxidoreductasa
= salto de un electrón
Tabla de potenciales estandar de Red (Eº red)
+1
-1
0
P680
Fotosíntesis cíclica.
En ciertas situaciones no es necesario generar poder reductor, pero si energía.
En la fotosíntesis cíclica los electrones que llegan a la ferredoxina son enviadosatras hacía las quinonas que entran a citocromo b f.6
X
¿Cómo es la estequiometría de translocación de protones?
FQR
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Fotosíntesis en otras bacterias
Luz
Phe
PQa
PQb
cit bc1
Luz
P870*
P840
P840*
Q
Fd
+Fd/NADPOxidoreductasa
= salto de un electrón
+ +NADP + H
NADPH
Bacterias púrpuras
+0,5
-1
0
P870
Cit c2
cit bc1
Cit c
H S2
2-S, SO4
+0,5
-1
0
-0,5-0,5
Bacterias verdes azufradas
Las bacterias púrpuras poseen un sistema muy similar al fotosistema II.
Las bacterias verdes poseen un sistema muy similar al fotosistema I.
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El proceso fotosintético en arqueas es completamente diferente.Utiliza una única proteína: bacteriorodopsina, que contiene unido retinal como cofactor. El retinal sufre una isomerización de trans a cis por efecto de la luz.Al retornar al estado trans inicial, se bombean protones.
... y en arqueas.
Retinal
Lisina
Aspartico
Arginina
Trans
Basal
Cis
Excitado
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Fin
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LHC-II
h ·
Grana de tilacoides
Lumen
Lumen
Fotosistema I
Fotosistema II
Citocromo b f6
ATPasa
Asociado a la lamela
Asociado a la grana
Distribución uniforme
Distribución uniforme
Fotosistema I
LHC-I Fotosistema I
Los fotosistemas están separados
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Random facts...
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La crisis del oxígeno.
Cianobacterias
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Fotosíntesis en fuenteshidrotermales oceánicas