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Fotobiofísica

Energía fotónica energía química

REACCIONES FOTOQUIMICAS

Requerimientos:

1. La luz debe ser absorbida por el sistema de la reacción

2. La luz debe contener suficiente energía para impulsar la reacción

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REACCIONESABSORCION A + luz A*

MIGRACION DE ENERGIA A* + C A + C*

REACCION FOTOQUIMICA C* + R Pr

TIPOS DE PROCESOS migración de energía en los sistemas de pigmentos reacciones fotoquímicas, estado electrónico excitado

separación de cargas procesos de transferencia electrónica reacciones

redox generación de gradientes de potencial electroquímico

por transporte de carga vectorial fosforilación

CLOROFILAS participan en la absorción de la luz y en la migración de la energía de excitación

Centro de reacción: transformación de la energía electrónica de excitación en energía electroquímica

Sistema antena: especie mas importante

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Procesos de excitación y desexcitación de clorofila

chl + fotón chl*

chl* chltriplete

chl* + chl chl + chl*

chl* chl + fotón (fluorescencia)

chl* + (chl-chl) (par especial) chl + (chl-chl)* (par especial)

(chl-chl)* (chl+-chl-)

SISTEMA ANTENAEmerson & Arnold (1932)

Iluminaban algas con flashes de 10 s con espacios de oscuridad de 500 ms medían O2

formado por molécula de chl y por flash

Se formaba una molécula de O2 por flash y por 2000-2500 moléculas de chl sólo el 0,05% de todas las Chl participaban directamente en la reacción fotoquímica

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Gaffron & Wohl (1936) Requerimiento cuántico 8-10 h por O2

Turn over centro de reacción 10 sUNIDAD FUNCIONAL: 250 – 300 moléculas absorbedoras y 1 centro de reacción fotosintéticamente activo.

MODELO:El proceso fotoquímico toma lugar sólo en el centro de reacción, las otras moléculas de clorofila están involucradas sólo en la absorción de la luz y en la migración de energía Complejo antena (+ pigmentos accesorios)

ANTENA: pigmentos accesorios que absorben en regiones del espectro distinta a las clorofilas en plantas superiores CAROTENOIDES (xantofilas: luteína y violaxantina; carotenos: -caroteno)

Protección contra la formación del estado triplete de las clorofilas y contra oxígeno singulete

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3BChl + 3O2 → BChl + 1O23BChl + Car → BChl + 3Car 1O2 + Car → 3O2 + 3Car

Procesos primarios en los centros de reacción fotosintéticos

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Tipos de centros de reacción

Transporte de electrones cíclico impulsado por luz en Rhodobacter sphaeroides

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Bchl antena: asociadas con 2 complejos LH1 LH2

LH2• cercano a LH1 (transferencia

de energía) • dos círculos concéntricos de

hélices 99(cadenas afuera)

• 27 Bchl: 9 (B800) intercaladas entre las cadenas y paralelas a la membrana, 18 (B850) perpendiculares a la membrana

• 9 carotenoides

Puede variar la cantidad de cadenas y Bchl dependiendo el género y/o especie de bacteria

LH1• circular alrededor de CR

(cilindro incompleto, pasaje de UQ/UQH al CR)

• 30 hélices transmembrana 1515X (X forma un «gap»)

• 30 Bchl (B870)

• carotenoides

LH2 LH1 CR

El 90% de los fotones absorbidos llega al CR de las bacterias fotosintéticas

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Mecanismos de transferencia de luz:

Transferencia de energía resonante:intermolecular, depende de la superposición del espectro de emisión del donor y de excitación del aceptor (orientación, distancia 20 Å) Acoplamiento excitónico deslocalizado: la

energía de excitación es compartida entre dos moléculas, hay intercambio electrónico (separación intermolecular menor a 15 Å). + rápido

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CENTRO DE REACCION

• 3 polipéptidos (H, L, M), 4 Bchl, 2 Bpheo, 2 UQ, 1 Fe no hemo

M

L

H

P870BpheoP870: dímero de BchlEl aceptor del e- de P870+ es Bpheo (Mg2+ reeemplazado por 2 H+)

Bpheo UQ2 sitios de unión de UQ: A y B con distintas propiedades

Liberación de UQH2

Correlaciones estructurales• Rama derecha activa• Fe no tiene rol asignado• Orientación: par especial hacia el periplasma y sitios de unión de UQ hacia el citoplasma

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Fotosíntesis en bacterias verdes del azufre y heliobacterias

CR: semejante a PSI de plantas Reduce Fd (potencial mas negativo que el UQH2 puede reducir NAD+ sin necesidad de transporte reverso de e-

Fd: reduce la menaquinona transporte cíclico y generación de p

Plantas y algas verdes

• 2 características diferenciales de bacterias:

– Puede ser no cíclico (H2O NADP+)

– 2 reacciones luminosas actúan en serie: H2O/½O2 -NADP+/NADPH

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Antena: LHCI y LHCII asociados a PSI y PSII

LHCII: Trímero compuesto por un polipéptido(25kDa – 3 hélices transmembrana) asociado a 8 Chl a, 6 Chl b y 2 carotenoides.

The structure of thylakoid light-harvesting complex II.Stereo view of trimeric LHC II from spinach looking at the membrane from the stromal (N-side) of the membrane. Monomers are labelled I–III, with each having three transmembrane helices. Side chains and lipids are omitted. Green, Chla: blue, chlb; yellow, orange and magenta, carotenoids. Note that many of the chlorophylls are oriented almost perpendicular to the membrane surface.

• PSII– Menos del 1% de los pigmentos involucrados en la fotorreacción

– Similitudes con el centro de reacción de bacteria púrpuras: simetría en la molécula formada por dos polipétidos mayoritarios: D1 y D2 (5 hélices transmembrana, sitio de unión a chl “voyeur”, pheo, y PQA y PQB. Sólo una rama es fotoquímicamente activa

– Diferencias: D1 posee un cluster de Mn y mayor separación espacial entre las 2 Chl.

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S= estados de oxidaciónS1= en oscuridadS4= 4 cargas +

«Oxygen evolving complex»

Cluster de Mn: es el centro de splitting del agua

– 4 eventos secuenciales para extraer 4 e- de 2 H2O y generar O2 liberando 4H+ al lumen de las tilacoides

– Los e- del agua son transferidos a P680 vía una tyr (Z+)

• PSI

– Mas grande y complejo (trímero)

– Cada monómero: 12 polipéptidos, 90 chl, 22 carotenoides, CR: 6 chl, 2 filoquinonas y un centro Fe-S

– Cada unidad: 11 hélices transmembrana

– Eje de simetría con las dos vías activas (una mayor velocidad que otra)

– Sólo se libera un e- del lado N– CR: 2 chl vecinas, no actúan

como unidad, no son químicamente idénticas

– CR: 6 Chl, 2 filoquinonas, 3 centros Fe-S

– Bacterias verdes del S: CR similar

N=estromaP=lumen

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Bacteriorrodopsina

• Bomba de H+ impulsada por luz en la membrana plasmática de Halobacterium salinarum.

• Contiene 7 hélices transmembrana (A-G), con una molécula de retinal covalentemente unida (vía base de Schiff) a la lys216 de la hélice G (26 kDa)

• Constituyen la membrana púrpura: 30% lípidos y 70% proteína

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• Luego de la iluminación (alrededor de 570 nm) BR transloca H+ fuera de la célula aumentando la fuerza proton motriz y generando un potencial transmembrana. Una ATPasa utiliza este potencial termodinámico para sintetizar ATP

• En oscuridad el retinal está en configuración trans, (estado bR), luego de absorber un fotón se isomeriza alrededor del doble enlace 13-14 muy rápidamente. Liberación del H+ de la base de Schiff al lado extracelular de la membrana (568 nm412 nm).

El estado bR es todo trans en la oscuridad, pero inmediatamente a la absorción de la luz, estado K (no involucra translocación de H+) pasa a cis 13/14 que persiste hasta que el estado O es alcanzado.

Los distintos espectros de absorción indican que el retinal se encuentra en distintos entornos y/o conformaciones a través del ciclo, pero se desconoce su relación exacta con la función de la proteína

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1) H+ de la base de Schiff del retinal → Asp 85

2) H+ del lado P (Glu

204?) → medio externo

3) H+ del Asp96 → base de Schiff

4) Reprotonación del Asp96 por H+ del citoplasma

5) H+ del Asp85 → Glu194/204-water en P

Halorrodopsina

• En condiciones fototróficas, actúa como una bomba de Cl- impulsada por luz (=570 nm)

• También contiene 7 hélices transmembrana, que forma un bolsillo m para el cromóforo. No forma arreglos cristalinos bidimensionales en la membrana

• En su forma adaptada a luz contiene todo trans-retinal

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Xantorrodopsina• Bomba de protones impulsada por luz (como BR), pero

más efectiva en su adquisición de luz: posee un segundo cromóforo SALINIXANTINA (carotenoide) que funciona como ANTENA del retinal

• En la membrana celular de Saliniter ruber

salinixantina

Salinixantina: 458, 486 y 521 nmRetinal: 560 nm

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Transferencia de energía del estado excitado del carotenoide al retinal

La absorción de un fotón por el carotenoide produce un estado S2 de vida corta. La migración de energía al estado S1 del retinal ocurre solamente del estado S2 (el nivel del estado S1 del carotenoide es menor que el del retinal S1), compite con la conversión interna a S1 del carotenoide. El decaimiento del estado S1 del trans retinal produce la configuración 13-cis, 15-anti

Bibliografía:

Bioenergetics 4 (Nicholls D. and Ferguson S.). Capítulo 6