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S2018_Lecture16_Reading - Biología


Energía luminosa y pigmentos

Energia luminosa

El sol emite una enorme cantidad de radiación electromagnética (energía solar) que se extiende por una amplia franja del espectro electromagnético, el rango de todas las posibles frecuencias de radiación. En BIS2A, nos ocupamos en gran medida de este último y, a continuación, discutimos algunos conceptos muy básicos relacionados con la luz y su interacción con la biología.

Primero, sin embargo, necesitamos actualizar un par de propiedades clave de la luz:

  1. La luz en el vacío viaja a una velocidad constante de 299,792,458 m / s. A menudo abreviamos la velocidad de la luz con la variable "c".
  2. La luz tiene propiedades de ondas. Un "color" de luz específico tiene una longitud de onda característica.

La distancia entre los picos de una onda se denomina longitud de onda y se abrevia con la letra griega lambda (Ⲗ).

Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

La proporcionalidad inversa de frecuencia y longitud de onda. La onda 1 tiene una longitud de onda que es 2 veces mayor que la de la onda 2 (Ⲗ1> Ⲗ2). Si las dos ondas viajan a la misma velocidad (c)Imagine que ambas líneas completas que se dibujan se arrastran más allá de la línea vertical fija a la misma velocidad. entonces el número de veces que un pico de onda pasa por un punto fijo es mayor para la onda 2 que para la onda 1 (f2> f1). Facciotti (obra original)

3. Finalmente, cada frecuencia (o longitud de onda) de la luz está asociada con una energía específica. Llamaremos energía "E". La relación entre frecuencia y energía es:

E = h * f

donde h es una constante llamada constante de Planck (~ 6.626x10-34 Joule • segundo cuando la frecuencia se expresa en ciclos por segundo). Dada la relación entre la frecuencia y la longitud de onda, también puede escribir E = h * c / Ⲗ. Por lo tanto, cuanto mayor es la frecuencia (o más corta la longitud de onda), más energía se asocia con un "color" específico. La onda 2 en la figura anterior está asociada con mayor energía que la onda 1.

El sol emite energía en forma de radiación electromagnética. Toda la radiación electromagnética, incluida la luz visible, se caracteriza por su longitud de onda. Cuanto más larga es la longitud de onda, menos energía transporta. Cuanto más corta es la longitud de onda, más energía se asocia con esa banda del espectro electromagnético.

La luz que vemos

La luz visible vista por los humanos como luz blanca está compuesta por un arco iris de colores, cada uno con una longitud de onda característica. Ciertos objetos, como un prisma o una gota de agua, dispersan la luz blanca para revelar los colores al ojo humano. En el espectro visible, la luz violeta y azul tienen longitudes de onda más cortas (de mayor energía) mientras que la luz naranja y roja tienen longitudes de onda más largas (de menor energía).

Los colores de la luz visible no tienen la misma cantidad de energía. El violeta tiene la longitud de onda más corta y, por lo tanto, transporta la mayor cantidad de energía, mientras que el rojo tiene la longitud de onda más larga y transporta la menor cantidad de energía.

Crédito: modificación del trabajo de la NASA

Absorción por pigmentos

La interacción entre la luz y los sistemas biológicos se produce a través de varios mecanismos diferentes, algunos de los cuales puede conocer en los cursos superiores de fisiología celular o química biofísica. En BIS2A, lo que más nos preocupa es la interacción de los pigmentos ligeros y biológicos. Estas interacciones pueden iniciar una variedad de procesos biológicos dependientes de la luz que pueden agruparse en dos categorías funcionales: señalización celular y recolección de energía. Las interacciones de señalización son en gran parte responsables de percibir cambios en el entorno (en este caso, cambios de luz). Un ejemplo de interacción de señalización podría ser la interacción entre la luz y los pigmentos expresados ​​en un ojo. Por el contrario, las interacciones luz / pigmento que están involucradas en la recolección de energía se utilizan para, como era de esperar, capturar la energía en la luz y transferirla a la célula para alimentar procesos biológicos. La fotosíntesis, de la que aprenderemos más pronto, es un ejemplo de una interacción de recolección de energía.

En el centro de las interacciones biológicas con la luz hay grupos de moléculas que llamamos pigmentos orgánicos. Ya sea en la retina humana, el tilacoide del cloroplasto o la membrana microbiana, los pigmentos orgánicos a menudo tienen rangos específicos de energía o longitudes de onda que pueden absorber. La sensibilidad de estas moléculas para diferentes longitudes de onda de luz se debe a su composición y estructura químicas únicas. Un rango del espectro electromagnético recibe un par de nombres especiales debido a la sensibilidad de algunos pigmentos biológicos clave: El pigmento de la retina en nuestros ojos, cuando se combina con una proteína sensor de opsina, "ve" (absorbe) la luz predominantemente entre las longitudes de onda entre de 700 nm y 400 nm. Debido a que este rango define los límites físicos del espectro electromagnético que realmente podemos ver con nuestros ojos, nos referimos a este rango de longitud de onda como el "rango visible". Por razones similares, como las moléculas de pigmento de las plantas tienden a absorber longitudes de onda de luz principalmente entre 700 nm y 400 nm, los fisiólogos de plantas se refieren a este rango de longitudes de onda como "radiación fotosintéticamente activa".

Tres tipos clave de pigmentos que discutimos en BIS2A

Clorofilas

Las clorofilas (incluidas las bacterioclorofilas) forman parte de una gran familia de moléculas de pigmento. Hay cinco pigmentos de clorofila principales llamados: a, B, C, D, y F. Clorofila a está relacionado con una clase de moléculas más antiguas que se encuentran en las bacterias llamadas bacterioclorofilas. Las clorofilas se caracterizan estructuralmente por un grupo de porfirina en forma de anillo que coordina un ión metálico. Esta estructura de anillo está relacionada químicamente con la estructura de los compuestos de hemo que también coordinan un metal y están involucrados en la unión y / o transporte de oxígeno en muchos organismos. Las diferentes clorofilas se distinguen entre sí por diferentes "decoraciones" / grupos químicos en el anillo de porfirina.

La estructura de las moléculas de hemo y clorofila a. El anillo de porfirina común está coloreado en rojo.

Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Carotenoides

Los carotenoides son los pigmentos rojo / naranja / amarillo que se encuentran en la naturaleza. Se encuentran en la fruta, el rojo del tomate (licopeno), el amarillo de las semillas de maíz (zeaxantina) o la naranja de una cáscara de naranja (β-caroteno), que se utilizan como "anuncios" biológicos para atraer a los dispersores de semillas (animales o insectos que pueden llevar semillas a otros lugares). En la fotosíntesis, los carotenoides funcionan como pigmentos fotosintéticos. Además, cuando una hoja se expone a pleno sol, esa superficie es necesaria para procesar una enorme cantidad de energía; si esa energía no se maneja adecuadamente, puede causar un daño significativo. Por lo tanto, muchos carotenoides ayudan a absorber el exceso de energía en la luz y disipan de manera segura esa energía en forma de calor.

Flavonoides

Los flavonoides son una clase muy amplia de compuestos que se encuentran en gran diversidad en las plantas. Estas moléculas vienen en muchas formas, pero todas comparten una estructura central común que se muestra a continuación. La diversidad de flavonoides proviene de las muchas combinaciones diferentes de grupos funcionales que pueden "decorar" el núcleo de la flavona.

La estructura del anillo central de flavans.

Cada tipo de pigmento puede identificarse por el patrón específico de longitudes de onda que absorbe de la luz visible. Esta característica se conoce como pigmento espectro de absorción. El gráfico de la figura siguiente muestra los espectros de absorción de la clorofila. a, clorofila By un tipo de pigmento carotenoide llamado β-caroteno (que absorbe la luz azul y verde). Observe cómo cada pigmento tiene un conjunto distinto de picos y valles, lo que revela un patrón de absorción muy específico. Estas diferencias en absorbancia se deben a diferencias en la estructura química (algunas se destacan en la figura). Clorofila a absorbe longitudes de onda de cualquier extremo del espectro visible (azul y rojo), pero no verde. Debido a que el verde se refleja o se transmite, la clorofila aparece verde. Los carotenoides se absorben en la región azul de longitud de onda corta y reflejan las longitudes de onda más largas de color amarillo, rojo y naranja.

(a) La clorofila a, (b) la clorofila by (c) el β-caroteno son pigmentos orgánicos hidrófobos que se encuentran en la membrana tilacoide. La clorofila ayb, que son idénticas salvo la parte indicada en el recuadro rojo, son las responsables del color verde de las hojas. Observe cómo la pequeña diferencia en la composición química entre diferentes clorofilas conduce a diferentes espectros de absorción. El β-caroteno es responsable del color naranja de las zanahorias. Cada pigmento tiene un espectro de absorbancia único (d).

Importancia de tener múltiples pigmentos diferentes

No todos los organismos fotosintéticos tienen acceso total a la luz solar. Algunos organismos crecen bajo el agua donde la intensidad de la luz y las longitudes de onda disponibles disminuyen y cambian, respectivamente, con la profundidad. Otros organismos crecen compitiendo por la luz. Por ejemplo, las plantas en el suelo de la selva deben poder absorber cualquier parte de la luz que entra porque los árboles más altos absorben la mayor parte de la luz solar y dispersan la radiación solar restante. Para tener en cuenta estas condiciones de luz variables, muchos organismos fotosintéticos tienen una mezcla de pigmentos cuya expresión se puede ajustar para mejorar la capacidad del organismo para absorber energía de un rango más amplio de longitudes de onda de lo que sería posible con un solo pigmento.

Fotofosforilación

Fotofosforilación una descripción general

Fotofosforilación es el proceso de transferir la energía de la luz a los productos químicos, en particular al ATP. Es probable que las raíces evolutivas de la fotofosforilación se encuentren en el mundo anaeróbico, hace entre 3.000 y 1.500 millones de años, cuando la vida era abundante en ausencia de oxígeno molecular. La fotofosforilación probablemente evolucionó relativamente poco después de las cadenas de transporte de electrones (ETC) y Respiración anaerobica comenzó a proporcionar diversidad metabólica. El primer paso del proceso implica la absorción de un fotón por una molécula de pigmento. La energía luminosa se transfiere al pigmento y promueve los electrones (e-) a un estado de energía cuántica superior, algo que los biólogos denominan "estado excitado". Note el uso del antropomorfismo aquí; los electrones no están "excitados" en el sentido clásico y de repente no están dando saltos ni celebrando su promoción. Simplemente se encuentran en un estado cuántico de mayor energía. En este estado, se dice coloquialmente que los electrones están "energizados". Mientras está en el estado "excitado", el pigmento ahora tiene un potencial de reducción mucho menor y puede donar los electrones "excitados" a otros portadores con mayores potenciales de reducción. Estos aceptores de electrones pueden, a su vez, convertirse en donantes de otras moléculas con mayores potenciales de reducción y, al hacerlo, formar una cadena de transporte de electrones.

A medida que los electrones pasan de un portador de electrones a otro a través de reacciones rojo / ox, estas transferencias exergónicas se pueden acoplar al transporte (o bombeo) endergónico de protones a través de una membrana para crear un gradiente electroquímico. Este gradiente electroquímico genera una fuerza motriz de protones cuyo impulso exergónico para alcanzar el equilibrio se puede acoplar a la producción endergónica de ATP, a través de la ATP sintasa. Como veremos con más detalle, los electrones involucrados en esta cadena de transporte de electrones pueden tener uno de dos destinos: (1) pueden regresar a su fuente inicial en un proceso llamado fotofosforilación cíclica; o (2) pueden depositarse en un pariente cercano de NAD+ llamado NADP+. Si los electrones se depositan nuevamente en el pigmento original en un proceso cíclico, todo el proceso puede comenzar de nuevo. Sin embargo, si el electrón se deposita en NADP+ para formar NADPH (** nota de acceso directo: no mencionamos explícitamente ningún protón, pero asumimos que se entiende que también están involucrados **), el pigmento original debe recuperar un electrón de algún otro lugar. Este electrón debe provenir de una fuente con un potencial de reducción menor que el pigmento oxidado y dependiendo del sistema existen diferentes fuentes posibles, entre ellas H2O, compuestos reducidos de azufre como SH2 e incluso elemental S0.

¿Qué sucede cuando un compuesto absorbe un fotón de luz?

Cuando un compuesto absorbe un fotón de luz, se dice que el compuesto deja su estado fundamental y se "excita".

Figura 1. Un diagrama que muestra lo que le sucede a una molécula que absorbe un fotón de luz. Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

¿Cuáles son los destinos del electrón "excitado"? Hay cuatro resultados posibles, que se muestran esquemáticamente en la figura siguiente. Estas opciones son:

  1. El e- puede relajarse a un estado cuántico más bajo, transfiriendo energía en forma de calor.
  2. El e- puede relajarse a un estado cuántico más bajo y transferir energía a un fotón de luz, un proceso conocido como fluorescencia.
  3. La energía se puede transferir por resonancia a una molécula vecina como e- vuelve a un estado cuántico inferior.
  4. La energía puede cambiar el potencial de reducción de modo que la molécula pueda convertirse en una e- donante. Vinculando este emocionado e- donante a un e adecuado- aceptor puede conducir a una transferencia de electrones exergónicos. En otras palabras, el estado excitado puede estar involucrado en reacciones rojo / buey.

Figura 2. ¿Qué le puede pasar a la energía absorbida por una molécula?

A medida que el electrón excitado se desintegra a su estado de menor energía, la energía se puede transferir de diversas formas. Si bien muchos de los llamados pigmentos auxiliares o de antena absorben energía luminosa y la transfieren a algo conocido como centro de reacción (mediante los mecanismos representados en la opción III en la Figura 2), es lo que sucede en el centro de reacción lo que más nos preocupa (opción IV en la figura anterior). Aquí, una molécula de clorofila o bacterioclorofila absorbe la energía de un fotón y se excita un electrón. Esta transferencia de energía es suficiente para permitir que el centro de reacción done el electrón en una reacción rojo / ox a una segunda molécula. Esto inicia las reacciones de transporte de electrones. El resultado es un centro de reacción oxidado que ahora debe reducirse para poder comenzar de nuevo el proceso. Cómo sucede esto es la base del flujo de electrones en la fotofosforilación y se describirá en detalle a continuación.

Sistemas de fotofosforilación simple: fotofosforilación anoxigénica

Al principio de la evolución de la fotofosforilación, estas reacciones evolucionaron en entornos anaeróbicos donde había muy poco oxígeno molecular disponible. Dos conjuntos de reacciones evolucionaron en estas condiciones, ambas directamente de cadenas respiratorias anaeróbicas como se describió anteriormente. Estos se conocen como los reacciones de luz porque requieren la activación de un electrón (un electrón "excitado") a partir de la absorción de un fotón de luz por un pigmento del centro de reacción, como la bacterioclorofila. Las reacciones a la luz se clasifican como cíclico o como no cíclico fotofosforilación, dependiendo del estado final de los electrones eliminados de los pigmentos del centro de reacción. Si el electrón o los electrones vuelven al centro de reacción del pigmento original, como la bacterioclorofila, se trata de fotofosforilación cíclica; los electrones hacen un circuito completo y se muestra en el diagrama de la Figura 4. Si los electrones se utilizan para reducir el NADP+ a NADPH, los electrones se eliminan de la vía y terminan en NADPH; este proceso se denomina no cíclico porque los electrones ya no forman parte del circuito. En este caso, el centro de reacción debe volver a reducirse antes de que el proceso pueda volver a ocurrir. Por lo tanto, se requiere una fuente de electrones externa para la fotofosforilación no cíclica. En estos sistemas formas reducidas de azufre, como H2S, que se puede usar como donante de electrones y se muestra en un diagrama en la Figura 5. Para ayudarlo a comprender mejor las similitudes de la fotofosforilación con la respiración, se ha proporcionado una torre rojo / buey que contiene muchos compuestos de uso común relacionados con la fotofosforilación.

forma oxidada

forma reducida

n (electrones)

Eo´ (voltios)

PS1 * (buey)

PS1 * (rojo)

-

-1.20

ferredoxina (buey) versión 1

ferredoxina (roja) versión 1

1

-0.7

PSII * (buey)

PSII * (rojo)

-

-0.67

P840 * (buey)

PS840 * (rojo)

-

-0.67

acetato

acetaldehído

2

-0.6

CO2

Glucosa

24

-0.43

ferredoxina (buey) versión 2

ferredoxina (roja) versión 2

1

-0.43

CO2

formiato

2

-0.42

2H+

H2

2

-0.42

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Complejo I

FMN (enzima unido)

FMNH2

2

-0.3

Ácido lipoico, (buey)

Ácido lipoico, (rojo)

2

-0.29

MODA+ (gratis) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Piruvato + 2H+

lactato

2

-0.19

MODA+ + 2H+ (ligado)

FADH2 (ligado)

2

0.003-0.09

CoQ (ubiquinona - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Plastoquinona; (buey)

Plastoquinona; (rojo)

-

0.08

Ubiquinona; (buey)

Ubiquinona; (rojo)

2

0.1

Complejo III Citocromo b2; Fe3+

Citocromo b2; Fe2+

1

0.12

Complejo III Citocromo c1; Fe3+

Citocromo c1; Fe2+

1

0.22

Citocromo c; Fe3+

Citocromo c; Fe2+

1

0.25

Complejo IV Citocromo a; Fe3+

Citocromo a; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (buey)

PS840GS (rojo)

-

0.33

Complejo IV Citocromo a3; Fe3+

Citocromo a3; Fe2+

1

0.35

Ferricianuro

ferrocianuro

2

0.36

Citocromo f; Fe3+

Citocromo f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (buey)

PSIGS (rojo)

.

0.37

Nitrato

nitrito

1

0.42

Fe3+

Fe2+

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIIGS (buey)

PSIIGS (rojo)

-

1.10

* Estado excitado, después de absorber un fotón de luz.

GS Ground State, estado antes de absorber un fotón de luz

PS1: Fotosistema oxigénico I

P840: Centro de reacción bacteriana que contiene bacterioclorofila (anoxigénica)

PSII: fotosistema oxigénico II

figura 3. Torre de electrones que tiene una variedad de componentes de fotofosforilación comunes. PSI y PSII se refieren a los Fotosistemas I y II de las vías de fotofosforilación oxigénica.

Fotofosforilación cíclica

En la fotofosforilación cíclica, la bacterioclorofilarojo La molécula absorbe suficiente energía luminosa para energizar y expulsar un electrón para formar bacterioclorofila.buey. El electrón reduce una molécula portadora en el centro de reacción, lo que a su vez reduce una serie de portadores a través de reacciones rojo / buey. Estos portadores son los mismos portadores que se encuentran en la respiración. Si el cambio en el potencial de reducción de las diversas reacciones rojo / ox es suficientemente grande, H+ los protones pueden translocarse a través de una membrana. Finalmente, el electrón se utiliza para reducir la bacterioclorofila.buey (haciendo un bucle completo) y todo el proceso puede comenzar de nuevo. Este flujo de electrones es cíclico y, por lo tanto, se dice que impulsa un proceso llamado fotofosforilación cíclica. Los electrones forman un ciclo completo: la bacterioclorofila es la fuente inicial de electrones y es el aceptor final de electrones. El ATP se produce a través del F1F0 ATPasa. El esquema de la Figura 4 demuestra cómo fluyen los electrones cíclicos y, por tanto, cómo funciona la fotofosforilación cíclica.

Figura 4. Flujo cíclico de electrones. El centro de reacción P840 absorbe energía luminosa y se excita, indicado con un *. El electrón excitado se expulsa y se utiliza para reducir una proteína FeS que deja un centro de reacción oxidado. El electrón se transfiere a una quinona, luego a una serie de citocromos, lo que a su vez reduce el centro de reacción P840. El proceso es cíclico. Tenga en cuenta la matriz gris que proviene de la proteína FeS que va a una ferridoxina (Fd), también en gris. Esto representa una ruta alternativa que puede tomar el electrón y se discutirá más adelante en la fotofosforilación no cíclica. Nota que el electrón que inicialmente sale del centro de reacción del P840 no es necesariamente el mismo electrón que finalmente encuentra su camino de regreso para reducir el P840 oxidado.

Nota: posible discusión

La figura de fotofosforilación cíclica anterior muestra el flujo de electrones en una cadena respiratoria. ¿Cómo ayuda este proceso a generar ATP?

Fotofosforilación no cíclica

En la fotofosforilación cíclica, los electrones pasan de la bacterioclorofila (o clorofila) a una serie de portadores de electrones y, finalmente, vuelven a la bacterioclorofila (o clorofila); teóricamente no hay pérdida neta de electrones y permanecen en el sistema. En la fotofosforilación no cíclica, los electrones se eliminan del fotosistema y de la cadena rojo / buey y finalmente terminan en NADPH. Eso significa que debe haber una fuente de electrones, una fuente que tenga un potencial de reducción menor que la bacterioclorofila (o clorofila) que pueda donar electrones a la bacterioclorofila.buey para reducirlo. Al observar la torre de electrones en la Figura 3, puede ver qué compuestos se pueden usar para reducir la forma oxidada de bacterioclorofila. El segundo requisito es que, cuando la bacterioclorofila se oxida y el electrón es expulsado, debe reducir un portador que tiene un mayor potencial de reducción que NADP / NADPH (ver la torre de electrones). En este caso, los electrones pueden fluir de la bacterioclorofila energizada a NADP formando NADPH y bacterioclorofila oxidada. Los electrones se pierden del sistema y terminan en NADPH; para completar el circuito, bacterioclorofilabuey se reduce por un donante de electrones externo como H2S o S elemental0.

Flujo de electrones no cíclico

Figura 5. Flujo de electrones no cíclico. En este ejemplo, el centro de reacción P840 absorbe energía luminosa y se energiza; el electrón emitido reduce una proteína FeS y, a su vez, reduce la ferridoxina. Ferridoxina reducida (Fdrojo) ahora puede reducir NADP para formar NADPH. Los electrones ahora se eliminan del sistema, encontrando su camino hacia NADPH. Los electrones deben reemplazarse en P840, que requiere un donante de electrones externo. En este caso, H2S sirve como donante de electrones.

Nota: posible discusión

Cabe señalar que para las vías de fotofosforilación bacteriana, por cada electrón donado desde un centro de reacción [recuerde que en realidad solo se dona un electrón al centro de reacción (o molécula de clorofila)], la salida resultante de esa cadena de transporte de electrones es la formación de Se puede producir NADPH (requiere dos electrones) o ATP, pero NO ambos. En otras palabras, el camino que toman los electrones en el ETC puede tener uno o dos resultados posibles. Esto pone límites a la versatilidad de los sistemas fotosintéticos anoxigénicos bacterianos. Pero, ¿qué pasaría si se desarrollara un proceso que utilizara ambos sistemas, es decir, una vía fotosintética cíclica y no cíclica en la que tanto el ATP como el NADPH pudieran formarse a partir de una sola entrada de electrones? Una segunda limitación es que estos sistemas bacterianos requieren compuestos tales como azufre reducido para actuar como donantes de electrones para reducir los centros de reacción oxidados, pero no necesariamente son compuestos que se encuentran ampliamente. ¿Qué pasaría si una clorofilabuey La molécula tendría un potencial de reducción mayor (más positivo) que el del O molecular2/ H2¿O reacción? Respuesta: un cambio de juego planetario.


Ver el vídeo: Reading 1 Interaction. Home First Year. Second Lecture 1632020. Dr. Mustafa Nassr (Enero 2022).