Un centro de reacción fotosintético é un complexo de varias proteínas, pigmentos e outros cofactores que xuntos executan as reaccións de conversión de enerxía primarias da fotosíntese. As excitacións moleculares, xa sexa as orixinadas directamente pola luz solar ou as transferidas como enerxía de excitación a través dos sistemas antena captadores de luz, dan lugar a reaccións de transferencia de electróns ao longo da ruta dunha serie de cofactores unidos a proteínas. Estes cofactores son moléculas que absorben luz (tamén chamadas cromóforos ou pigmentos) como a clorofila e a feofitina, así como quinonas. A enerxía do fotón utilízase para excitar un electrón dun pigmento. A enerxía libre creada utilízase entón, a través dunha cadea de aceptores de electróns próximos, para a transferencia de átomos e hidróxeno (en forma de protóns e electróns) desde a H2O ou o sulfuro de hidróxeno ata o dióxido de carbono, producindo finalmente glicosa (na fase escura da fotosíntese). Estes pasos de transferencia de electróns teñen como resultado final a conversión da enerxía dos fotóns en enerxía química.
Transformación da enerxía da luz en separación de cargas
Posúen centros de reacción as plantas verdes, algas, e moitas bacterias. Hai unha gran variedade de complexos captadores de luz entre as especies fotosintéticas. As plantas verdes e algas teñen dous tipos de centros de reacción que forman parte de supercomplexos máis grandes chamados P700 no fotosistema I e P680 no fotosistema II. As estruturas destes supercomplexos son grandes, comprendendo múltiples complexos captadores de luz. O centro de reacción das bacterias Rhodopseudomonas é actualmente o mellor coñecido, xa que foi o primeiro centro de reacción de estrutura coñecida e ten menos cadeas polipeptídicas que nos exemplos das plantas verdes.
Un centro de reacción está disposto de maneira que poida capturar a enerxía dun fotón usando moléculas de pigmentos e convertela nunha forma utilizable. Unha vez que os pigmentos absorberon directamente a enerxía da luz ou que esta pasou a eles por transferencia de resonancia desde un complexo captador de luz próximo, liberan electróns nunha cadea de transportadores de electróns e pasan a enerxía a un doante de hidróxeno como a H2O para extraer electróns e protóns dela. Nas plantas verdes, a cadea de transporte de electróns ten moitos aceptores de electróns como a feofitina, a quinona, a plastoquinona, o citocromo b6f e a ferredoxina, e como resultado final obtense a molécula reducida NADPH, mentres que a enerxía usada para a escisión da auga orixina a liberación de oxíxeno. O paso de electróns pola cadea de transporte de electróns tamén causa o bombeo de protóns (ións hidróxeno) desde o estroma dos cloroplasto e no lume dos tilacoides, creándose un gradiente de protóns a través da membrana tilacoidal que se pode utilizar para sintetizar ATP usando o encima ATP sintase. Tanto o ATP coma o NADPH utilízanse no ciclo de Calvin da fase escura para fixar o dióxido de carbono en azucres triosas.
En bacterias
Clasificación
Recoñécense dous tipos de centros de reacción, chamados tipo I e tipo II. O de tipo I, atopado en bacterias verdes do xofre, heliobacterias e no fotosistema I de plantas e cianobacterias usa grupos ferrosulfurados como aceptores de electróns. O de tipo II, atopado en Chloroflexus, bacterias púrpuras e no fotosistema II de plantas e cianobacterias, usa quinonas. Os membros dentro de cada clase non só comparten un antepasado común, senón que as dúas clases tamén parecen relacionadas por teren unha estrutura común. Esta sección trata do sistema de tipo II atopado en bacterias púrpuras.
Estrutura
miniatura|Esquema do centro de reacción na membrana co citocromo C na parte superior. miniatura|Figura 1. Centro de reacción fotosintético bacteriano. O centro de reacción fotosintético bacteriano foi un importante modelo para entender a estrutura e química do proceso biolóxico de captura de enerxía da luz. Na década de 1960 Roderick Clayton foi o primeiro en purificar o compleo do centro de reacción das bacterias púrpuras. Porén, a primeira estrutura cristalina (imaxe superior á dereita) foi determinada en 1984 por Hartmut Michel, Johann Deisenhofer e Robert Huber, polo cal compartiron o premio Nobel de Química en 1988. Isto foi tamén significativo por ser a primeira estrutura cristalina en 3D obtida dun complexo proteico de membrana.
Atopáronse catro subunidades que son importantes para o funcionamento do centro de reacción fotosintético. As subunidades L e M, mostrados en azul e púrpura na imaxe da estrutura (Figura 1), ambas abranguen a bicapa lipídica da membrana plasmática. Son estruturalmente similares entre si, ambas teñen 5 hélices alfa transmembrana.Photosynthetic reaction centers of purple bacteria (2 de febreiro de 1999). Consultado o 28 de febreiro de 2010. Están asociadas coas subunidades L e M catro moléculas de bacterioclorofilas b (BChl-b), dúas moléculas de bacteriofeofitina b (BPh), dúas quinonas (QA e QB), e un ión ferroso. A subunidade H, mostrada en cor dourada, sitúase no lado citoplasmático da membrana plasmática. Unha subunidade de citocromo, que non se mostra aquí, contén catro hemos tipo c e está situada na superficie periplásmica (externa) da membrana. Esta última subunidade non é un motivo estrutural xeral nas bacterias fotosintéticas. As subunidades L e M únense aos cofactores funcionais e que interaccionan coa luz, mostrados aquí en verde.
Os centros de reacción de diferentes especies bacterianas poden conter cromóforos de bacterioclorofilas lixeiramente alterados e bacteriofeofitina como cofactores funcionais. Estas alteracións causan cambios na cor da luz que poden absorber. O centro de reacción contén dous pigmentos que serven para recoller e transferir a enerxía da absorción de fotóns: BChl e Bph. BChl apenas lembra a molécula de clorofila das plantas verdes, pero, debido a diferenzas estruturais menores, a lonxitude de onda do seu pico de absorción desprázase ao infravermello, con lonxitudes de onda de ata 1000 nm. A Bph ten a mesma estrutura que as BChl, pero o ión magnesio central é substituído por dous protóns. Esta alteración causa tanto un cambio no máximo de absorbancia coma unha diminución do potencial redox.
Mecanismo O proceso empeza cando as dúas moléculas de BChl do lado periplásmico da membrana absorben luz. Ese par de moléculas de clorofila, a miúdo chamadas o "par especial", absorben fotóns a 870 nm ou 960 nm, dependendo da especie e, así, chámase P870 (en Rhodobacter sphaeroides) ou P960 (en Blastochloris viridis), onde P significa "pigmento"). Unha vez que P absorbe un fotón, execta un electrón, que se transfire a través doutra molécula de Bchl á BPh na subunidade L. Esta separación de cargas inicial rende unha carga positiva en P e outra negativa en BPh. Este proceso ten lugar en 10 picosegundos (10−11 segundos).
As cargas en P+ e BPh− poderían sufrir recombinación de cargas neste estado, o cal desperdiciaría a enerxía e converteríaa en calor. Varios factores da estrutura do centro de reacción serven para impedilo. Primeiro, a transferencia dun electrón do BPh− ao P960+ é relativamente lenta comparada con outras dúas reaccións redox no centro de reacción. As reaccións máis rápidas implican a transferencia dun electrón de BPh− (o BPh− é oxidado a BPh) á quinona aceptora de electróns (QA), e a transferencia dun electrón ao P960+ (o P960+ é reducido a P960) desde un hemo da subunidade de citocromo sobre o centro de reacción.
O electrón de alta enerxía que se encontra na molécula de quinona QA estreitamente unida transfírese a unha molécula de quinona QB intercambiable. Esta molécula está debilmente asociada á proteína e é bastante fácil de separar dela. Cómpren dous electróns para reducir completamente QB a QH2, tomando dous protóns do citoplasma no proceso. A quinona reducida QH2 difunde pola membrana cara a outro complexo proteico (complexo do citocromo bc1), onde é oxidada. No proceso o poder redutor da QH2 é utilizado para bombear protóns a través da membrana ao espazo periplásmico. Os electróns dun complexo do citocromo bc1 son despois transferidos a través dun citocromo c soluble intermediario, chamado citocromo c2, no periplasma á subunidade citocromo.
En cianobacterias e plantas
As cianobacterias, que son os precursores dos cloroplastos das plantas verdes, teñen ambos os fotosistemas con ambos os tipos de centros de reacción. Combinar os dous sistemas permite a produción de oxíxeno.
Fotosíntese oxixénica En 1772, o químico Joseph Priestley levou a cabo unha serie de experimentos relacionados cos gases implicados na respiración e combustión. No seu primeiro experimento, acendeu unha candea e situouna dentro dun frasco dado volta. Despois dun curto período de tempo, a candea apagouse. Levou a cabo un experimento similar cun rato nun espazo confinado cunha candea ardendo. Atopou que o rato morría pouco tempo despois de que a candea se extinguise. Porén, podía revivificar o aire viciado situando plantas verdes na área e expoñéndoas á luz. As observacións de Priestley foron algúns dos primeiros experimentos que demostraban a actividade dun centro de reacción fotosintético.
En 1779, Jan Ingenhousz levou a cabo máis de 500 experimentos durante 4 meses nun intento de comprender que estaba ocorrendo. Escribiu sobre os seus descubrimentos nun libro titulado Experimentos sobre Vexetais. Ingenhousz colleu plantas verdes e mergullounas en auga nun tanque transparente. Observou que ascendían desde a superficie da follas da planta moitas burbullas cando as plantas se expoñían á luz. Ingenhousz recolleu o gas desprendido pola planta e realizou varias probas intentando determinar que gas era. Probou que era oxíxeno ou, como Joseph Priestley lle chamaba, 'aire desfloxisticado'.
En 1932, Robert Emerson e o seu estudante William Arnold, usou unha técnica de flashes repetitivos para medir con precisión pequenas cantidades de oxíxeno producidos grazas á clorofila na alga Chlorella. Os seus experimentos probaron a existencia dunha unidade fotosintética. Gaffron e Wohl interpretaron despois o experimento e decatáronse de que a luz absorbida pola unidade fotosintética era transferida. Esta reacción ocorre no centro de reacción do fotosistema II e ten lugar en cianobcterias, algas e plantas verdes.
Fotosistema II
right|miniatura|500px|Fotosistema II de cianobacterias, monómero, . O fotosistema II é o fotosistema que xera os dous electróns que finalmente reducirán o NADP+ na ferredoxina-NADP-redutase. O fotosistema II está presente nas membranas dos tilacoides do interior dos cloroplastos, o sitio onde ten lugar a fotosíntese nas plantas verdes. A estrutura do fotosistema II é moi similar ao centro de reacción bacteriano e teorízase que comparten un devanceiro común.
O núcleo central do fotosistema II consta de dúas subunidades denominadas D1 e D2. Estas dúas subunidades son similares ás subunidades L e M do centro de reacción bacteriano. O fotosistema II difire do centro de reacción bacteriano en que ten moitas subinidades adicionais que se unen a clorofilas adicionais para incrementar a eficacia. A reacción global catalizada polo fotosistema II é:
2Q + 2H2O + hν → O2 + 2QH2
Q representa a forma oxidada da plastoquinona mentres que QH2 representa a súa forma reducida. Este proceso da quinona reducida é comparable á que ten lugar no centro de reacción bacteriano. O fotosistema II obtén electróns oxidando auga nun proceso chamado fotólise. O oxíxeno molecular é un subproduto deste proceso e é esta reacción a que subministra oxíxeno á atmosfera. O feito de que o oxíxeno desprendido polas plantas verdes se orixina da auga deduciuno primeiro o bioquímico Martin David Kamen. Kamen utilizou un isótopo estable do oxíxeno, 18O, para trazar a ruta do oxíxeno desde a auga ao oxíxeo molecular gasoso. Esta reacción é catalizada por un centro reactivo do fotosistema II que contén catro ións manganeso.