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S2019_Lecture_17_Reading - Biologia


Fotofosforilação

Fotofosforilação uma visão geral

Fotofosforilação é o processo de transferir a energia da luz para produtos químicos, particularmente ATP. A fotofosforilação provavelmente evoluiu relativamente logo após as cadeias de transporte de elétrons (ETC) e respiração anaeróbica começou a fornecer diversidade metabólica. A energia da luz é transferida para o pigmento e promove os elétrons (e-) em um estado de energia quântica superior - algo que os biólogos chamam de "estado excitado". Observe o uso de antropomorfismo aqui; os elétrons não estão "excitados" no sentido clássico e não estão de repente pulando ou comemorando sua promoção. Nesse estado, os elétrons são coloquialmente chamados de "energizados". Enquanto no estado "excitado", o pigmento agora tem um potencial de redução muito menor e pode doar os elétrons "excitados" para outros portadores com maiores potenciais de redução. Esses aceptores de elétrons podem, por sua vez, se tornar doadores para outras moléculas com maiores potenciais de redução e, com isso, formar uma cadeia de transporte de elétrons.

À medida que os elétrons passam de um portador de elétrons para outro por meio de reações vermelho / boi, essas transferências exergônicas podem ser acopladas ao transporte endergônico (ou bombeamento) de prótons através de uma membrana para criar um gradiente eletroquímico. Este gradiente eletroquímico gera uma força motriz de prótons cujo impulso exergônico para atingir o equilíbrio pode ser acoplado à produção endergônica de ATP, via ATP sintase. Como veremos com mais detalhes, os elétrons envolvidos nesta cadeia de transporte de elétrons podem ter um de dois destinos: (1) eles podem retornar à sua fonte inicial em um processo denominado fotofosforilação cíclica; ou (2) eles podem ser depositados em um parente próximo da NAD+ chamado NADP+. Se os elétrons forem depositados de volta no pigmento original em um processo cíclico, todo o processo pode ser reiniciado. Se, no entanto, o elétron é depositado no NADP+ para formar NADPH (** nota de atalho - não mencionamos explicitamente nenhum próton, mas assumimos que é entendido que eles também estão envolvidos **), o pigmento original deve recuperar um elétron de algum outro lugar. Este elétron deve vir de uma fonte com um potencial de redução menor do que o pigmento oxidado e dependendo do sistema existem diferentes fontes possíveis, incluindo H2O, compostos de enxofre reduzidos, como SH2 e até mesmo S elementar0.

O que acontece quando um composto absorve um fóton de luz?

Quando um composto absorve um fóton de luz, diz-se que o composto deixa seu estado fundamental e fica "excitado".

figura 1. Um diagrama que descreve o que acontece com uma molécula que absorve um fóton de luz. Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Quais são os destinos do elétron "excitado"? Existem quatro resultados possíveis, que são diagramados esquematicamente na figura abaixo. Essas opções são:

  1. O e- pode relaxar para um estado quântico inferior, transferindo energia como calor.
  2. O e- pode relaxar para um estado quântico inferior e transferir energia para um fóton de luz - um processo conhecido como fluorescência.
  3. A energia pode ser transferida por ressonância para uma molécula vizinha como o e- retorna a um estado quântico inferior.
  4. A energia pode alterar o potencial de redução de tal forma que a molécula pode se tornar um e- doador. Ligando este e animado- doador para um e adequado- o aceitador pode levar a uma transferência de elétrons exergônicos. Em outras palavras, o estado excitado pode estar envolvido nas reações vermelho / boi.

Figura 2. O que pode acontecer com a energia absorvida por uma molécula.

À medida que o elétron excitado decai de volta ao seu estado de energia inferior, a energia pode ser transferida de várias maneiras. Enquanto muitos dos chamados pigmentos de antena ou auxiliares absorvem a energia da luz e a transferem para algo conhecido como centro de reação (pelos mecanismos descritos na opção III na Figura 2), é o que acontece no centro de reação que mais nos preocupa (opção IV na figura acima). Aqui, uma molécula de clorofila ou bacterioclorofila absorve a energia de um fóton e um elétron é excitado. Essa transferência de energia é suficiente para permitir que o centro de reação doe o elétron em uma reação vermelho / ox para uma segunda molécula. Isso inicia as reações de transporte de elétrons. O resultado é um centro de reação oxidado que agora deve ser reduzido para iniciar o processo novamente. Como isso acontece é a base do fluxo de elétrons na fotofosforilação e será descrito em detalhes a seguir.

Sistemas de fotofosforilação simples: fotofosforilação anoxigênica

No início da evolução da fotofosforilação, essas reações evoluíram em ambientes anaeróbicos onde havia muito pouco oxigênio molecular disponível. Dois conjuntos de reações evoluíram nessas condições, ambos diretamente das cadeias respiratórias anaeróbicas, conforme descrito anteriormente. Estes são conhecidos como reações de luz porque requerem a ativação de um elétron (um elétron "excitado") a partir da absorção de um fóton de luz por um pigmento do centro de reação, como a bacterioclorofila. As reações de luz são categorizadas como cíclico ou como não cíclico fotofosforilação, dependendo do estado final do (s) elétron (s) removido (s) dos pigmentos do centro de reação. Se o (s) elétron (es) retornarem ao centro de reação do pigmento original, como a bacterioclorofila, isso é fotofosforilação cíclica; os elétrons fazem um circuito completo e é diagramado na Figura 4. Se o (s) elétron (s) são usados ​​para reduzir o NADP+ para o NADPH, o (s) elétron (s) são removidos da via e acabam no NADPH; esse processo é conhecido como não cíclico, pois os elétrons não fazem mais parte do circuito. Neste caso, o centro de reação deve ser reduzido novamente antes que o processo aconteça novamente. Portanto, uma fonte externa de elétrons é necessária para a fotofosforilação não cíclica. Nestes sistemas formas reduzidas de enxofre, como H2S, que pode ser usado como um doador de elétrons e está diagramado na Figura 5. Para ajudá-lo a entender melhor as semelhanças da fotofosforilação com a respiração, foi fornecida uma torre vermelha / boi que contém muitos compostos comumente usados ​​envolvidos com a fotofosforilação.

forma oxidada

forma reduzida

n (elétrons)

Eo´ (volts)

PS1 * (boi)

PS1 * (vermelho)

-

-1.20

ferredoxina (boi) versão 1

ferredoxina (vermelha) versão 1

1

-0.7

PSII * (boi)

PSII * (vermelho)

-

-0.67

P840 * (boi)

PS840 * (vermelho)

-

-0.67

acetato

acetaldeído

2

-0.6

CO2

Glicose

24

-0.43

ferredoxina (boi) versão 2

ferredoxina (vermelha) versão 2

1

-0.43

CO2

formato

2

-0.42

2h+

H2

2

-0,42 (em [H+] = 10-7; pH = 7)

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Complexo I

FMN (ligado à enzima)

FMNH2

2

-0.3

Ácido lipóico, (boi)

Ácido lipóico, (vermelho)

2

-0.29

MANIA+ (grátis) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Piruvato + 2H+

lactato

2

-0.19

MANIA+ + 2H+ (vinculado)

FADH2 (vinculado)

2

0.003-0.09

CoQ (Ubiquinona - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Plastoquinona; (boi)

Plastoquinona; (vermelho)

-

0.08

Ubiquinone; (boi)

Ubiquinone; (vermelho)

2

0.1

Complexo III Citocromo b2; Fe3+

Citocromo b2; Fe2+

1

0.12

Complexo III Citocromo c1; Fe3+

Citocromo c1; Fe2+

1

0.22

Citocromo c; Fe3+

Citocromo c; Fe2+

1

0.25

Complexo IV Citocromo a; Fe3+

Citocromo a; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (boi)

PS840GS (vermelho)

-

0.33

Complexo IV Citocromo a3; Fe3+

Citocromo a3; Fe2+

1

0.35

Ferricianeto

ferrocianeto

2

0.36

Citocromo f; Fe3+

Citocromo f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (boi)

PSIGS (vermelho)

.

0.37

Nitrato

nitrito

1

0.42

Fe3+

Fe2+

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIIGS (boi)

PSIIGS (vermelho)

-

1.10

* Estado Excitado, após absorver um fóton de luz

GS Ground State, estado antes de absorver um fóton de luz

PS1: Fotossistema Oxigênico I

P840: Centro de reação bacteriana contendo bacterioclorofila (anoxigênica)

PSII: Fotossistema Oxigênico II

Figura 3. Torre de elétrons que possui uma variedade de componentes comuns de fotofosforilação. PSI e PSII referem-se aos fotossistemas I e II das vias de fotofosforilação oxigenada.

Fotofosforilação cíclica

Na fotofosforilação cíclica, a bacterioclorofilavermelho molécula absorve energia de luz suficiente para energizar e ejetar um elétron para formar a bacterioclorofilaboi. O elétron reduz uma molécula carreadora no centro de reação que, por sua vez, reduz uma série de carreadores por meio das reações vermelho / boi. Esses portadores são os mesmos portadores encontrados na respiração. Se a mudança no potencial de redução das várias reações vermelho / boi for suficientemente grande, H+ prótons podem ser translocados através de uma membrana. Eventualmente, o elétron é usado para reduzir a bacterioclorofilaboi (fazendo um loop completo) e todo o processo pode começar novamente. Este fluxo de elétrons é cíclico e, portanto, diz-se que conduz um processo denominado fotofosforilação cíclica. Os elétrons fazem um ciclo completo: a bacterioclorofila é a fonte inicial de elétrons e é o aceptor final de elétrons. ATP é produzido através do F1F0 ATPase. O esquema na Figura 4 demonstra como os elétrons cíclicos fluem e, portanto, como funciona a fotofosforilação cíclica.

Figura 4. Fluxo de elétrons cíclicos. O centro de reação P840 absorve a energia da luz e fica excitado, denotado com um *. O elétron excitado é ejetado e usado para reduzir uma proteína FeS deixando um centro de reação oxidado. O elétron é transferido para uma quinona e, em seguida, para uma série de citocromos, que por sua vez reduz o centro de reação P840. O processo é cíclico. Observe a matriz cinza proveniente da proteína FeS indo para uma ferridoxina (Fd), também em cinza. Isso representa um caminho alternativo que o elétron pode seguir e será discutido a seguir na fotofosforilação não cíclica. Observação que o elétron que inicialmente deixa o centro de reação P840 não é necessariamente o mesmo elétron que eventualmente encontra seu caminho de volta para reduzir o P840 oxidado.

Nota: possível discussão

A figura da fotofosforilação cíclica acima representa o fluxo de elétrons em uma cadeia respiratória. Como esse processo ajuda a gerar ATP?

Fotofosforilação não cíclica

Na fotofosforilação cíclica, os elétrons passam da bacterioclorofila (ou clorofila) para uma série de portadores de elétrons e, eventualmente, de volta à bacterioclorofila (ou clorofila); teoricamente não há perda líquida de elétrons e eles permanecem no sistema. Na fotofosforilação não cíclica, os elétrons são removidos do fotossistema e da cadeia vermelho / boi e, eventualmente, acabam no NADPH. Isso significa que precisa haver uma fonte de elétrons, uma fonte que tem um potencial de redução menor do que a bacterioclorofila (ou clorofila), que pode doar elétrons para a bacterioclorofilaboi para reduzi-lo. Olhando para a torre de elétrons na Figura 3, você pode ver quais compostos podem ser usados ​​para reduzir a forma oxidada da bacterioclorofila. O segundo requisito é que, quando a bacterioclorofila se torna oxidada e o elétron é ejetado, ela deve reduzir um portador que tem um potencial de redução maior do que o NADP / NADPH (veja a torre de elétrons). Nesse caso, os elétrons podem fluir da bacterioclorofila energizada para o NADP, formando NADPH e bacterioclorofila oxidada. Elétrons são perdidos do sistema e acabam no NADPH; para completar o circuito, bacterioclorofilaboi é reduzido por um doador de elétrons externo, como H2S ou S elementar0.

Fluxo de elétrons não cíclicos

Figura 5. Fluxo de elétrons não cíclicos. Neste exemplo, o centro de reação P840 absorve a energia da luz e fica energizado; o elétron emitido reduz uma proteína FeS e, por sua vez, reduz a ferridoxina. Ferridoxina reduzida (Fdvermelho) agora pode reduzir o NADP para formar o NADPH. Os elétrons agora são removidos do sistema, encontrando seu caminho para o NADPH. Os elétrons precisam ser substituídos no P840, que requer um doador de elétrons externo. Neste caso, H2S serve como doador de elétrons.

Nota: possível discussão

Deve-se notar que para as vias de fotofosforilação bacteriana, para cada elétron doado de um centro de reação [lembre-se de que apenas um elétron é realmente doado para o centro de reação (ou molécula de clorofila)], a saída resultante dessa cadeia de transporte de elétrons é a formação de NADPH (requer dois elétrons) ou ATP pode ser feito, mas NÃO ambos. Em outras palavras, o caminho que os elétrons percorrem na ETC pode ter um ou dois resultados possíveis. Isso limita a versatilidade dos sistemas fotossintéticos anoxigênicos bacterianos. Mas o que aconteceria se evoluísse um processo que utilizasse os dois sistemas, ou seja, uma via fotossintética cíclica e não cíclica na qual tanto ATP quanto NADPH pudessem ser formados a partir de uma única entrada de elétrons? Uma segunda limitação é que esses sistemas bacterianos requerem compostos como enxofre reduzido para atuar como doadores de elétrons para reduzir os centros de reação oxidados, mas eles não são necessariamente compostos amplamente encontrados. O que aconteceria se uma clorofilaboi molécula teria um potencial de redução maior (mais positivo) do que o molecular O2/ H2O que reação? Resposta: uma virada de jogo planetária.

Fotofosforilação Oxigênica

Geração de NADPH e ATP

A função geral das reações dependentes de luz é transferir energia solar para compostos químicos, principalmente as moléculas NADPH e ATP. Essa energia apóia as reações independentes da luz e alimenta a montagem das moléculas de açúcar. As reações dependentes de luz são representadas nas Figuras 6 e 7. Complexos de proteínas e moléculas de pigmento trabalham juntos para produzir NADPH e ATP.

Nota: possível discussão

Dê um passo para trás. Por que é uma meta razoável querer fazer NADPH e ATP? Na discussão da glicólise e do ciclo do TCA, o objetivo era fazer ATP e NADH. Qual é a principal diferença? Talvez como essas moléculas serão usadas? Algo mais?

Figura 6. Um fotossistema consiste em um complexo de coleta de luz e um centro de reação. Os pigmentos do complexo de coleta de luz passam a energia da luz para duas clorofilas especiais uma moléculas no centro de reação. A luz excita um elétron da clorofila uma par, que passa para o aceptor de elétrons primário. O elétron excitado deve então ser substituído. No (a) fotossistema II, o elétron vem da divisão da água, que libera oxigênio como um produto residual. No (b) fotossistema I, o elétron vem da cadeia de transporte de elétrons do cloroplasto discutida abaixo.

A etapa real que transfere a energia da luz para uma biomolécula ocorre em um complexo multiproteico denominado fotossistema, dois tipos dos quais são encontrados embutidos na membrana tilacóide, fotossistema II (PSII) e fotossistema I (PSI). Os dois complexos diferem com base no que eles oxidam (ou seja, a fonte do suprimento de elétrons de baixa energia) e no que reduzem (o lugar para onde entregam seus elétrons energizados).

Ambos os fotossistemas têm a mesma estrutura básica; um número de proteínas de antena ao qual as moléculas de clorofila estão ligadas circundam o centro de reação em que ocorre a fotoquímica. Cada fotossistema é atendido pelo complexo de colheita de luz, que passa energia da luz solar para o centro de reação; consiste em várias proteínas de antena que contêm uma mistura de 300-400 clorofila uma e b moléculas, bem como outros pigmentos como os carotenóides. A absorção de um único fóton- uma quantidade distinta ou “pacote” de luz - por qualquer uma das clorofilas empurra aquela molécula para um estado excitado. Resumindo, a energia da luz agora foi capturada por moléculas biológicas, mas ainda não foi armazenada em nenhuma forma útil. A energia capturada é transferida da clorofila para a clorofila até que, eventualmente (após cerca de um milionésimo de segundo), seja entregue ao centro de reação. Até este ponto, apenas a energia foi transferida entre as moléculas, não os elétrons.

Figura 7. No centro de reação do fotossistema II (PSII), a energia da luz solar é usada para extrair elétrons da água. Os elétrons viajam através da cadeia de transporte de elétrons do cloroplasto para o fotossistema I (PSI), o que reduz o NADP+ para NADPH. A cadeia de transporte de elétrons move os prótons através da membrana tilacóide para o lúmen. Ao mesmo tempo, a divisão da água adiciona prótons ao lúmen e a redução do NADPH remove os prótons do estroma. O resultado líquido é um pH baixo no lúmen do tilacóide e um pH alto no estroma. A ATP sintase usa este gradiente eletroquímico para fazer ATP.

O centro de reação contém um par de clorofila uma moléculas com uma propriedade especial. Essas duas clorofilas podem sofrer oxidação por excitação; eles podem realmente abrir mão de um elétron em um processo chamado fotoativação. É nesta etapa do centro de reação, esta etapa da fotofosforilação, que a energia da luz é transferida para um elétron excitado. Todas as etapas subsequentes envolvem colocar esse elétron no transportador de energia NADPH para entrega ao ciclo de Calvin, onde o elétron pode ser depositado no carbono para armazenamento de longo prazo na forma de um carboidrato.

O esquema Z

PSII e PSI são dois componentes principais da fotossíntese cadeia de transporte de elétrons, que também inclui o complexo de citocromo. O centro de reação do PSII (chamado P680) entrega seus elétrons de alta energia, um de cada vez, a um aceitador de elétron primário chamada feofitina (Ph) e, em seguida, sequencialmente a duas plastoquinonas Q ligadasUMA e QB. Os elétrons são então transferidos do PSII para um pool de plastoquinonas móveis (pool Q), que então transfere os elétrons para um complexo de proteínas chamado Citocromob6f. O complexo do citocromo utiliza as transferências vermelho / boi para bombear prótons através da membrana tilakoyd, estabelecendo uma força motriz de prótons que pode ser usada para a síntese de ATP. Os elétrons que saem do citocromo são transferidos para uma proteína contendo cobre chamada plastocianina (PC), que então transfere os elétrons para o PSI (P700). O elétron ausente de P680 é substituído pela extração de um elétron da água; assim, a água é dividida e o PSII é reduzido novamente após cada etapa de fotoativação. Apenas para compartilhar alguns números: Dividindo um H2A molécula O libera dois elétrons, dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. A divisão de duas moléculas de água é necessária para formar uma molécula de O diatômico2 gás. Nas plantas, cerca de dez por cento desse oxigênio é usado pelas mitocôndrias da folha para apoiar a fosforilação oxidativa. O restante escapa para a atmosfera, onde é usado por organismos aeróbicos para apoiar a respiração.

À medida que os elétrons se movem através das proteínas que residem entre o PSII e o PSI, eles participam das transferências exergônicas vermelho / boi. A energia livre associada à reação exergônica vermelho / boi é acoplada ao transporte endergônico de prótons do lado estromal da membrana para o lúmen do tilacóide pelo complexo do citocromo. Esses íons de hidrogênio, mais aqueles produzidos pela divisão da água, se acumulam no lúmen do tilacóide e criam uma força motriz de prótons que será usada para conduzir a síntese de ATP em uma etapa posterior. Uma vez que os elétrons no PSI agora têm um potencial de redução maior do que quando eles começaram sua jornada (é importante notar que o PSI não excitado tem um potencial vermelho / boi maior do que o NADP+/ NADPH), eles devem ser reenergizados no PSI antes de serem depositados no NADP+. Portanto, para completar este processo, outro fóton deve ser absorvido pela antena PSI. Essa energia é transferida para o centro de reação PSI (chamado P700) P700 é então oxidado e envia um elétron através de várias etapas intermediárias de vermelho / boi para o NADP+ para formar o NADPH. Assim, o PSII captura a energia da luz e acopla sua transferência via reações vermelho / boi à criação de um gradiente de prótons. Como já observado, o relaxamento exergônico e controlado desse gradiente pode ser acoplado à síntese de ATP. PSI captura energia na luz e acopla que, por meio de uma série de reações vermelho / boi, para reduzir o NADP+ em NADPH. Os dois fotossistemas trabalham em conjunto, em parte, para garantir que a produção de NADPH será na proporção certa para a produção de ATP. Outros mecanismos existem para ajustar essa proporção para corresponder exatamente às necessidades de energia em constante mudança do cloroplasto.

Figura 8. Um diagrama que representa o fluxo de elétrons e os potenciais vermelho / boi de seus portadores em sistemas fotossintéticos oxigenados expressando o fotossistema I (em caixa em azul) e o fotossistema II (em caixa em verde). Ph = feofitina; QA = plastoquinona ligada, QB = plastoquinona mais vagamente associada; Pool Q = pool de plastoquinona móvel; Cyt bf = Citocromo b6complexo de f; PC = plastocianina; Chla0 = crolofilo especial; UMA1 = vitamina K; Fx e FAB = centros de ferro-enxofre; Fd = ferredoxina; FNR = ferredoxina-NADP redutase. Facciotti (trabalho próprio)