Cloroplasto y Fotosíntesis
Cloroplasto
Los cloroplastos
son orgánulos celulares que se encuentran en las plantas y algas verdes, y en
cianobacterias. En estos orgánulos son el sitio de los procesos fotosintéticos
de los organismos que los contienen. (Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith;
Walter, Peter, 2002.)
Ultraestructura y características
moleculares
Los cloroplastos poseen una membrana exterior
de dos capas, y dentro de cada unos de ellos hay unos cuerpos más pequeño
llamados granas, dispuestos como pilas de monedas. Las granas están formadas
por una envoltura llamadas cuantosomas, dentro de las cuales se encuentra la
clorofila, que interviene en la fase luminosa de la fotosíntesis, entre las
granas hay sustancias llamada estroma, que contienen las enzimas que
intervienen en la fase oscura de la fotosíntesis.
La membrana externa es muy permeable gracias a la
presencia de porinas, en mayor medida que la membrana interna, que contiene
proteínas específicas para el transporte. La cavidad interna llamada estroma,
en la que se lleva a cabo reacciones de fijación de CO2, contiene ADN circular
bicateriano, ribosomas (de tipo 70S,
como las bacterianos), gránulos de almidón, lípidos y otras sustancias. Pues la
cavidad interna contiene acido de cibunocleico.
También hay una serie de sáculos delimitados por una
membrana llamada tilacoides, que en los cloroplastos de las plantas terrestres
se organizan en apilamientos llamados
granas (plural de granum, grano) las membranas de los tilacoides contienes
sustancias como pigmentos fotosintéticos (clorofila, caratenoides, xantofilas),
diversos lípidos, proteínas de la cadena de transporte de electrones
fotosintéticas y enzimas, como ATP sintasa.
Al observar la
estructura de cloroplasto y compararlo con la mitocondria, se nota que esta
tiene dos sistemas de membranas, delimitando un comportamiento interno (matriz)
y otro externo, el espacio perimiticondrial, mientras que el cloroplasto tiene
tres membranas que forman tres compartimientos: el espacio intermembranario, el
estroma y el espacio intratilacoidal. (Austin
et al. 2006.)
Genoma del cloroplasto
Los cloroplastos
tienen su propio genoma al que denominamos ADNcp (cpDNA).
La estructura del genoma del cloroplasto es similar
al mitocondrial. Aquí también el ADN tiene forma circular, está constituido por
una doble hebra supercontraída y no existen proteinas como es el caso de las
histonas de los cromosomas nucleares. Muchas veces existe una gran diferencia
en el contenido de guanina-citosina del ADNcp en relación tanto al DNA nuclear
como al ADNmt, lo que permite separar el ADNcp en un gradiente de cloruro de
cesio. El ADNcp es una molécula más grande que el DNAmt de los animales, con un
tamaño que varía entre 80 y 600 kb. Por ejemplo, el ADNcp del arroz contiene
155.844 pares de bases. Todos los genomas del cloroplasto que se conocen hasta ahora
tienen una proporción muy alta de secuencias de ADN que no codifican ningún
producto. El número de copias del ADNcp en cada cloroplasto es variable, pero
siempre hay varias copias por cada cloroplasto y estas copias se distribuyen en
grupos que forman nucleoides. La organización de los genes en el ADNcp. El
genoma cloroplástico contiene los genes para producir cada uno de los ARNr de
los ribosomas típicos del cloroplasto (16S, 23S, 4,5S y 5S). También contiene
genes para los ARNt, y genes que codifican algunas (pero no todas) las
proteínas requeridas en los procesos de transcripción y traducción dentro del
cloroplasto (como ser las proteínas de los ribosomas, las subunidades de la ARN
polimerasa y los factores de traducción), o requeridas para la fotosíntesis.
Algunos, aunque no todos los genes que codifican proteínas en el ADNcp
transcriben intrones. Algunas de las proteínas con funciones dentro del
cloroplasto son codificadas en el DNA nuclear y sintetizadas en el citoplasma y
luego ingresadas al cloroplasto. En la Figura 2 se esquematiza la organización
de los genes en el ADNcp.
Figura 2: Organización del genoma del cloroplasto del arroz (Oryza sativa)
De manera
característica, el genoma del cloroplasto contiene dos copias de cada uno de
los genes para la producción de ARN de transferencia (ARNt). Los dos sets de
genes de ARNt se localizan en dos regiones de 10 a 25 kb con secuencias
repetitivas idénticas pero con orientación invertida que se conocen como IRA e
IRB (Fig. 2). Hay otros genes en estas secuencias repetitivas invertidas y por
lo tanto esos genes también están repetidos. La ubicación de estas secuencias
repetitivas definen otras dos regiones del genoma donde los genes no están
repetidos: una región corta SSC (short single copy) y una región más larga
llamada LSC (long single copy). Tanto en tabaco como en arroz, dos especies
para las cuales se conoce el ADNcp, existen 30 genes de ARNt, mientras que en
Marchantia (una hepática) son 32. Se han identificado cerca de 100 secuencias
ORF (open reading frames) que se supone que codifican proteínas.
Aproximadamente 60 de esas ORFs ya han sido correlacionadas con genes que
codifican proteínas con función conocida, mientras que el resto no se sabe aun
que función cumplen. La síntesis de proteínas dentro del cloroplasto se realiza
en ribosomas específicos del cloroplasto que son de 70S con dos subunidades de
50S y 30S. Las subunidad de 50S contiene una copia de cada una de las moléculas
de ARNr de 23S, 5S y 4,5S y la subunidad 30S contiene una molécula de ARNr de
16S. No se sabe muy bien aun cuántas proteínas constituyen cada una de las
subunidades ribosómicas, pero sí se sabe que algunas de esas proteínas son
codificadas por ADN nuclear y otras por ADNcp. (Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin;
Roberts, Keith; Walter, Peter, 2002.)
Proceso de fotosíntesis
El proceso de la
fotosíntesis ocurre en dos fases: la fase fotónica o lumínica o la fase
afotónica o de oscuridad.
Fase lumínica:
Los hechos que ocurren en la fase luminosa de la
fotosíntesis se pueden resumir en estos puntos:
Parte 1: la fotólisis
Cuantos de luz
llevan un electrón del fotosistema II (clorofila P680) a un nivel de energía
más alto, quien al caer de nuevo recorre el camino de la fotofosforilación
acíclica y no regresa a la clorofila. Esa clorofila lo repone de una molécula
de agua, que es partida en el proceso (dos electrones por molécula de agua, por
ello doble reacción).
Resultado:
Se libera el
oxígeno;
Iones de
hidrógeno H+ se unen luego a las moléculas transportadoras de hidrógeno NADP,
vea fotofosforilación acíclica
Parte 2: fotofosforilación.
Fotofosforilación ciclica:
Un electrón del fotosistema I
(clorofila P700) se eleva a un mayor nivel de energía y durante la caída al
nivel bajo de energía en la misma clorofila se forman dos moléculas de ATP.
Resultado: Formación de 2 x ATP.
Los
pigmentos presentes en los tilacoides de los cloroplastos se encuentran
organizados en fotosistemas o cuantosomas (conjuntos
funcionales formados por más de 200 moléculas de pigmentos); la luz captada en
ellos por pigmentos que hacen de antena, es llevada hasta la molécula de "clorofila diana o clorofila a"
que es la molécula que se oxida al liberar un electrón, que es el que irá
pasando por una serie de transportadores, en cuyo recorrido liberará la
energía
Y desde ésta va pasando a lo largo de una
cadena transportadora de electrones, entre los que están varios citocromos (cyt
b/f) y así llega hasta la plastocianina (PC) que se los cederá a moléculas de
clorofila del FSI.
En el descenso por esta cadena, con
oxidación y reducción en cada paso, el electrón va liberando la energía que
tenía en exceso; energía que se utiliza para bombear protones de hidrógeno
desde el estroma hasta el interior de los tilacoides, generando un gradiente
electroquímico de protones. Estos protones vuelven al estroma a través de la
ATP-asa y se originan moléculas de ATP.
El
fotosistema II se reduce al recibir electrones procedentes de una molécula de
H2O, que también por acción de la luz, se descompone en hidrógeno y oxígeno, en
el proceso llamado fotólisis del H2O. De este modo se puede mantener un flujo
continuo de electrones desde el agua hacia el fotosistema II y de éste al
fotosistema I.
En el fotosistema I la luz produce el
mismo efecto sobre la clorofila P700, de modo que algún electrón adquiere un
nivel energético superior y abandona la molécula, es recogido por otro aceptor
de electrones, la ferredoxina y pasa por una nueva cadena de transporte hasta
llegar a una molécula de NADP+ que es reducida a NADPH,al recibir dos
electrones y un protón H+ que también procede de la descomposición del H2O.
Los dos fotosistemas pueden actuar
conjuntamente - proceso conocido como esquema en Z, para producir la
fotofosforilación (obtención de ATP) o hacerlo solamente el fotosistema I; se
diferencia entonces entre fosforilación no cíclica o acíclica cuando actúan los
dos, y fotofosforilación cíclica, cuando actúa el fotosistema I unicamente. En
la fotofosforilación acíclica se obtiene ATP y se reduce el NADP+ a NADPH,
mientras que en la fotofosforilación cíclica únicamente se obtiene ATP y no se
libera oxígeno.
Mientras la luz llega a los fotosistemas,
se mantiene un flujo de electrones desde el agua al fotosistema II, de éste al
fotosistema I, hasta llegar el NADP+ que los recoge; ésta pequeña corriente
eléctrica es la que mantiene el ciclo de la vida.
Fotofosforilación acíclica:
el electrón del fotosistema II (vea
fotólisis) cae a un nivel menor de energía y es recibido por la clorofila
(P700) del fotosistema I. En este proceso se forma un ATP ( medida de energía) .
Esa clorofila, a su vez, por acción de la luz eleva de nuevo un electrón a un
nivel superior de energía. De allí cae un poco, de nuevo a la molécula
transportadora de energía NADP, que ahora, por los electrones de la fotólisis,
puede unir los iones de hidrógeno H+ .
Resultado:
- Los
electrones se transfieren al NADP,
- Se forma ATP
una vez.
Fase oscura en:
En
esta fase, se va a utilizar la energía química obtenida en la fase luminosa, en
reducir CO2, Nitratos y Sulfatos y asimilar los bioelementos C, H, y S, con el
fin de sintetizar glúcidos, aminoácidos y otras sustancias.
Las plantas obtiene el CO2 del aire a
través de los estomas de sus hojas. El proceso de reducción del carbono es
cíclico y se conoce como Ciclo de Calvin., en honor de su descubridor M.
Calvin.
La fijación del CO2 se produce en
tres fases:
1. Carboxilativa:
El CO2 se fija a una molécula de 5C, la ribulosa 1,5 bifosfato,
formándose un compuesto inestable de 6C, que se divide en dos moléculas de
ácido 3 fosfoglicérico conocido también con las siglas de PGA
2. Reductiva: El
ácido 3 fosfoglicérico se reduce a gliceraldehido 3 fosfato, también
conocido como PGAL, utilizándose ATP Y NADPH.
3.Regenerativa/Sintética:
Las moléculas de gliceraldehido 3 fosfato formadas siguen diversas rutas; de
cada seis moléculas, cinco se utilizan para regenerar la ribulosa 1,5
bifosfato y hacer que el ciclo de Calvin pueda seguir, y una será empleada
para poder sintetizar moléculas de glucosa (vía de las hexosas),
ácidos grasos, amoinoácidos... etc; y en general todas las moléculas que
necesita la célula.
En el ciclo para fijar el CO2, intervienen
una serie de enzimas, y la más conocida es la enzima Rubisco o RuBp (ribulosa
1,5 bifosfato carboxilasa/oxidasa), que puede actuar como carboxilasa o
como oxidasa, según la concentración de CO2.
Si la concentración de CO2 es baja,
funciona como oxidasa, y en lugar de ayudar a la fijación de CO2 mediante el
ciclo de Calvin, se produce la oxidación de glúcidos hasta CO2 y H2O,
y al proceso se le conoce como fotorrespiración. La fotorrespiración no debe confundirse
con la respiración mitocondrial, la energía se pierde y no se produce ni ATP ni
NADPH; y como se ve en el esquema se disminuye el rendimiento de la
fotosíntesis, porque sólo se produce una molécula de PGA que pasará al ciclo de
Calvin; en cambio cuando funciona como carboxilasa, se obtienen dos moléculas
de PGA.
Plantas C3 y Plantas C4:
En algunas plantas existe una vía
alternativa para la incorporación de CO2, que fue delineada claramente por M.D.
Hatch y C.R. Slack. Estas plantas tienen una alta eficiencia en la captación de
CO2, requieren relativamen te menos agua y presentan una temperatura óptima
para la fotosíntesis más alta (clima tropical y subtropical).
Esta vía alternativa ( C4)
se realiza en plantas que presentan algunas diferencias anatómicas en la hoja
(ej: sorgo, maíz, caña de azúcar, etc.):
- En la cara
superior e inferior las células epidermicas presentan estomas.
- Los
cloroplastos tienen una morfología algo diferente.
- En la zona
del mesófilo de la hoja, los haces vasculares se encuentran rodeados por
un grupo de células que conforman una vaina.
¿Porqué se llaman plantas de carbono 4?
Su nombre se basa en la formación de
compuestos ácidos de cuatro carbonos el ácido oxalacético, por la unión de CO2 al ácido
fosfoenolpirúvico (PEP) de tres carbonos. Al igual que la carboxilasa
del RuBp cataliza la carboxilación (fijación de CO2 ) del RuBp, una carboxilasa
del PEP cataliza la incorporación de CO2 al PEP.
El ác. oxalacético resultante de la unión
del PEP y el CO2 tiene varios destinos probables, pero por lo
general es reducido a otro componente de cuatro carbonos llamado ácido málico por acción del NADPH en las células
del mesófilo. Esta reacción se realiza al mismo tiempo en que se va
desarrollando el ciclo de Calvin en las células de la vaina. Más tarde el ácido
málico pasa de las células del mesófilo a las células de la
vaina de los haces vasculares.
En estas células de la vaina el ác. málico
se degrada a CO2 y PEP. Este último es enviado hacia las células
del mesófilo de la hoja, pero el CO2 se une al RuBP de las
células de la vaina e ingresa en el ciclo de Calvin.
Por último se debe tener claro que
aquellas plantas que no realizan este sistema son las comúnmente llamadas vía
de C3, donde el ciclo de Calvin se desarrolla en las células del mesófilo y la
RuBp es el único.
Plantas MAC:
La fotosíntesis es el principal proceso en
que el CO2 es fijado por las plantas verdes; sin embargo hay
ciertas plantas suculentas y semisuculentas, que fijan el CO2 de
noche o en la oscuridad, con un incremento de la ácidez vacuolar, como
resultado de la acumulación de ácido málico.Estas plantas pueden fijar el CO2 en
la oscuridad, a velocidades superiores de la que lo expulsan mediante la
respiración, resultando en una acumulación neta de CO2 .Sí
estas plantas se someten a la luz la acidez disminuye. La variación diurna en
la acidez fue descubierta en Bryophyllum calycinum, especie perteneciente a la
familia Crassulaceae y en consecuencia se denominó "Metabolismo ácido de
crasuláceas(MAC o CAM)".
El MAC se encuentra presente en algunos
géneros de las Bromeliaceae ( piña, barba de palo), Agavaceae (sisal), Orchidaceae,
Cactaceae, Compositae, Amaryllidaceae, Euphorbiaceae y por supuesto en la
familia Crassulaceae. Hasta ahora se conocen más de 28 familias con plantas
MAC, entre las monocotiledóneas y dicotiledóneas.
Las plantas con MAC habitan en regiones
áridas y seca, donde el factor limitante es el agua, por lo que han
desarrollado un mecanismo adaptativo, que les ofrece una ventaja ecológica,
como es el cierre de los estomas de día y su apertura nocturna. Estas plantas
presentan un ritmo circadiano (dura aproximadamente 24 horas), que consta de
dos fases: 1) una oscura que produce una acidificación de la vacuola, por
acumulación de ácido málico (C-4), con los estomas abiertos, 2) una luminosa en
la que ocurre una desadificación, producida por la descarboxilación del ácido
málico (C-4) , su conversión en ácido pirúvico (C-3) y CO2 ,
con los estomas cerrados.
El CO2 producido a partir
del ácido málico, se fija en el ciclo de Calvin en la luz con los estomas
cerrados. El CO2 se fija en la oscuridad a través de una
reacción con PEP(C-3), catalizada por la PEP-carboxilasa. El producto de esta
reacción es el ácido oxalacético (OAA, C-4), el cual se reduce a malato(C-4).
El PEP viene de la glucólisis, de tal forma que a medida que se forma malato,
el almidón disminuye de noche.
El "truco" que emplean las
plantas MAC, es que incorporan CO2 de noche, con los estomas
abiertos y con el mínimo peligro de desecarse por evapotranspiración; ya que la
humedad relativa es más alta y las temperaturas son más bajas. Durante el día,
por el contrario, cuando la transpiración es mayor, las plantas MAC cierran los
estomas, impidiendo la pérdida de agua.
Sistemas fotosintéticos y centros reactivos
Excitación molecular de centros reactivos y transferencia de
energía por resonancia
Muchas moléculas
de clorofila actúan juntas como una unidad fotosintética en la que solo un
miembro del grupo de la clorofila del
centro de reacción transfiere en realidad
electrones a un receptor. Aunque
la mayor parte de la molécula de pigmentos
no participa en forma directa en la conversión de energía lumínica en
energía química, son las encargadas de absorción de luz. Estas moléculas de
pigmentos forman una antena recolectora de luz que absorbe fotones de diversas
longitudes de onda y transfiere la energía (llamada energía de excitación) con
gran rapidez a la molécula de pigmento
en el centro de reacción.
La transferencia
de la energía de excitación de una molécula de pigmento a otra es muy sensible a las distancia entre las moléculas.
Las moléculas de clorofila de una
antena se mantienen muy próximas entre sí (con menos de 1.5 nm de separación) mediante enlaces no covalentes entre los
polipéptidos de las membranas. Una regla que opera entre los pigmentos de la
antena es que la energía solo puede transferirse a una molécula que requiere
una energía igual o menor. En otras
palabras, la energía nada mas puede pasarse a una molécula de pigmento que
absorbe luz de igual o mayor longitud de onda (menor energía) que la absorbida
por la molécula donante. Conforme a la energía recorre la unidad
fotosintética, se transfiere de
manera repetida a una molécula de pigmentos que absorbe una longitud de onda
mayor. Al final la energía se transfiere a una clorofila del centro de reacción
la cual absorbe luz con mayor longitud
de onda que cualquiera de sus vecinos. Una vez que el
centro de reacción recibe la energía en el electro excitado por la absorción de la luz
puede transferirse a su receptor.
Las reacciones
de las fotosíntesis en las que se absorbe luz ocurren en complejos pigmentos-proteína
llamados fotosistemas. Se requieren dos tipos de fotosistemas para catalizar
las dos reacciones de absorción lumínica empleada en la fotosíntesis oxigénica.
Un fotosistema, el fotosistema II (PSII), impulsa los electrones de un nivel
energético inferior al del agua hasta un punto a la mitad del camino. El otro fotosistema, el
fotosistema I (PSI), eleva los electrones desde el punto intermedio hasta un
nivel energético mucho mayor al del NADP+. Los dos fotosistemas actúan en
serie, o sea, uno después del otro. Aunque tiene reacciones fotoquímicas muy
distintas, los dos tipos de fotosistemas de las plantas así como los de las
células bacterianas fotosintéticas tienen similitudes en la composición
proteica y la arquitectura general. Estas propiedades compartidas sugieren que
todos los centros de reacción fotosintética evolucionaron a partir de una sola estructura ancestral común que
se ha conservado durante más de tres mil millones de años.
El centro de reacción del fotosistema II es
un dímero de clorofila conocido como
P680, la “P” se refiere a “pigmento” y el
numero “680” representa la longitud de onda de la luz que este par de
clorofilas absorbe con mayor intensidad. El centro de reacción del fotosistema I también es un dímero de clorofila y se conoce como
P700 por razones similares. Cuando la luz del sol incide sobre una membrana
tilacoides, los pigmentos de la antena del PSII y el PSI absorben la energía y
pasan a los centros de reacción de ambos
fotosistemas. Los electrones del centro de reacción de ambos pigmentos se
impulsan hasta un orbital mas externo y
cada electrón se transfiere a un receptor electrónico primario. Después de
perder sus electrones, las clorofilas del centro de reacción del PSII y el PSI
se convierten en los pigmentos con cargas positivas conocidos como P680+ y
P700+, respectivamente. Los receptores de los electrones adquieren cargas
negativas a su vez. En esencial esta separación de carga dentro de lo
fotosistemas es reacción lumínica: la conversión de energía lumínica en energía
química. Los centros de reacción con carga positiva actúan como atrayentes para los electrones y los
receptores con carga negativa lo hacen como donantes de electrones. Por
consiguientes, la separación de la carga dentro de cada fotosistema establece
la base para el flujo de electrones a lo largo de una cadena de portadores
específicos.
En las
fotosíntesis oxigénica, en la que dos fotosistemas actúan en serie, el flujo de electrones ocurre a lo
largo de tres ramas, del agua al PSII, del PSII y al PSI y del PSI a NADP+, una
disposición descrita como esquema Z que Robert Hill y Fay Bendall de la
Cambridge University propusieron
por primera vez.
Operaciones del PSII: obtención de electrones mediante la
separación del agua. El fotosistema II utiliza la energía lumínica absorbida
para realizar dos actividades relacionadas: extracción de electrones del agua y
generación de un gradiente de protones. El PSII de las células vegetales es un complejo con
más de 20 polipéptidos distintos, la mayor parte de los cuales está
incluida en la membrana tilacoides. Dos de estas proteínas, designadas D1 y D2,
tienen una importancia particular porque juntas se unen con el dímero de clorofila
P680 del centro de reacción y los cofactores que participan en el transporte de
electrones a través del fotosistema.
El primer paso
en la activación del PSII es la observación de la luz en un pigmento de la
antena reúnen luz para el PSII se encuentran en un complejo
pigmento-proteína diferentes denominados
complejo II para la recolección de
luz o
LHCII. Las proteínas del LHCII se unen con la clorofila y los
carotenoides y se sitúan fuera del
centro del centro del fotosistema. El LHCII
no siempre se relaciona con el PSII, sino que en las condiciones
apropiadas puede migrar por la membrana tilacoide y vincularse con el PSI,
donde también sirve como complejo
recolector de luz para el centro de reacción del fotosistema I.
El flujo de electrones del PSII a la plastoquinona: la plastoquinona (PQ) es una molécula
liposoluble. El pigmento excitado del centro de reacción (P680*) responde con
la transferencia de un solo electrón
excitado por la luz a una molécula cercana de feofitina, similar a la
clorofila, que es el principal receptor
de electrones esta transferencia
de electrones genera una separación de la carga en PSII entre un donante de
carga positiva (P680+) y un receptor de carga negativa (Feo-). La importancia
de la formación de dos especies con
cargas opuestas, P680+ y Feo-, se vuelve más evidente cuando se
consideran las capacidades de oxidación-reducción de estas dos especies. P680+
es deficiente en electrones y puede aceptar electrones, lo que convierte en un
agente oxidante. En contraste, Feo- tiene
un electrón adicional fácil de
desprender, lo que lo convierte en un agente reductor. Este fenómeno, la formación impulsada por la
luz de un agente oxidante y uno reductor. Tarda menos de una milmillonésima de
segundo y es el primer paso esencial de la fotosíntesis.
Puesto que
tienen cargas opuestas P680+ y Feo- presenta una reactividad obvia entre sí. La interacción entre las
especies de cargas opuestas se impide
con la separación de las cargas, hasta los lados opuestos de la membrana,
mediante el paso por varios sitios diferentes. Primero Feo- transfiere su
electrón a una molécula de plastoquinona unida cerca del lado extremo
(estromal) de la membrana. El electrón
del PQA se transfiere a una segunda plastoquinona PQB para producir una forma semireductora de la
molécula PQB•- que permanece unida con firmeza a la proteína D1 del centro de
reacción. El electrón se acerca al lado estromal de la membrana con cada una de
estas transferencias.
El con carga
positiva P680+ se reduce de nuevo a
P680, lo que inhibe el centro de reacción para la absorción de otro fotón. La
absorción del otro fotón envía un segundo electrón energizado mediante la vía
P680 a feonina, a PQA, a PQB•-, y se forma PQB2-, que se combinan
con dos protones para formar plastoquinol PQH2. Los protones
utilizados en la formación de PQH2 provienen
del estroma, lo que causa un descenso
en la concentración de H+ en el estroma que contribuye a la
formación del gradiente de protones. La
molécula de PQH2 reducida se separa de la proteína D1 y se difunde a la bicapa
lipídica. El PQH2 se
sustituye por una molécula de PQ completamente oxidada proveniente de una
pequeña reserva de moléculas de plastoquinona en la bicapa.
El flujo de electrones del agua al PSII: la parte menos
conocida del flujo de electrones del agua al NADP+ es el primer paso
entre el H2O y el PSII. El agua es una molécula muy estable formada
formado por átomos de hidrogeno y
oxigeno unidos con firmeza. De hecho la
división del agua es la reaccion
que implica el mayor desafío
termodinámico (endergónico) de todas las que se conocen en los organismos
vivos. Para separar el agua en el laboratorio se requiere una corriente
eléctrica o temperaturas que se aproximen a 2000°C. Aun así la célula vegetal
puede realizar esta hazaña en la ladera nevera de una montaña solo con la
energía de la luz visible. La separación
del agua durante la fotosíntesis se llama fotólisis. Se cree que la formación
de una molécula de oxigeno durante la fotólisis requiere la perdida simultanea
de cuatro electrones de dos moléculas de agua de acuerdo con la reaccion. 2 H2O
4 FOTONES 4 H+luz
+ O2 + 4 e- (reaccion
general del PSII).
Aun así un
centro de reaccion PSII solo puede generar una carga positiva P680+, o
equivalente oxidante, por vez. En relación estrecha con la proteína D1 y PSII en su superficie luminal se encuentra un
conjunto de cuatro iones de magnesio Mn estabilizado y protegido por varias
proteínas periféricas que forman el complejo desarrollador de oxigeno. La transferencia de cada electrón del conjunto
Mn a P680+ se realiza mediante el paso por un portador intermedio de
electrones, un residuo de tirosina en la proteína D1 llamado Tirz.
Luego se transfiere cada electrón a P680+ y regenerar el P680. El pigmento se oxida de nuevo a P680+ después de la absorción de otro fotón por el
fotosistema. Por tanto la acumulación por pasos de cuatro equivalentes
oxidantes por el conjunto de Mn es
impulsado por la absorción sucesiva de cuatro fotones de luz por el PSII. Una
vez que esto ocurre el sistema ya puede catalizar la eliminación 4 e-
de dos moléculas de H2O.
Los protones que
se producen en la reaccion de fotolisis se retienen en la luz tilacoide. Donde
contribuyen al gradiente de protones. Los cuatros electrones producidos en la
reaccion de fotolisis sirve para generar
el cumulo de Mn reducida (estado S0), mientras se libera O2 hacia
el ámbito como producto de desecho.
Operaciones de PSI:
Producción de NADPH: El PSI de las
plantas superiores consiste en un centro de reaccion central formada hasta por
12 a 14 subunidades polipéptidicas y un complejo periférico de pigmentos unidos
a proteínas llamado LHCI. La energía lumínica es absorbida por los pigmentos
antena del LHCI y pasa al pigmento del centro de reaccion del PSI, P700 que es
un dímero de clorofila ɑ. Tras la absorción de energía, un pigmento excitado
del centro de reaccion P700 transfiere un electrón a una molécula monomerica
separada de la clorofila ɑ (designada A0) que actúa como el principal receptor de electrones. Como el
PSII, la luz conduce a la producción de
dos especies cargadas en este caso P700+ y A-0 A-0 es un agente muy fuerte con un potencial redox cercano a -1.0 V,
mucho mayor que necesario para reducir el NADP (potencial redox de 0.32 V).esta
carga positiva del pigmento P700+ se neutraliza con un electrón
formado por la plastocianina.la separación inicial de la carga en el PSI, se estabiliza el paso del
electrón A-0 a través de varios cofactores. A partir
de un tipo de quimona llamada filoquinona y tres cumulo de hierro y azufre
(denominados FX, FB y FA) la oxidación
P700 en P700+ ocurre en el lado luminal de la membrana. El electrón
que se pierde a receptor primario pasa a través del PSI a los centro de de hierro-azufre unidos en el
lado estromal de la membrana. Después el electrón se transfiere del PSI a una pequeña proteína
hidrosoluble con hierro-azufre llamada ferredoxina que se relaciona con la
superficie estromal de la membrana. La reducción de NADP+ para formar
NADPH es una reaccion catalizada por una enzima grande llamada reductasa de
ferredoxina-NADP+ que con tiene un grupo protético FAD capaz de
aceptar y transferir dos electrones. Una sola molécula de ferredoxina puede
donar solo un electrón de manera que dos ferredoxina actúan juntas en la
reducción:
2 ferredoxinared
+ H- + NADP+ reductasa de ferredoxina- NADP- 2 ferredoxinaox + NADPH
La eliminación
de un protón de estroma también se agrega al gradiente de protones a
través de la membrana tilacoide. La
reaccion completa del PSI basada en la
absorción de cuatro fotones como se hizo para el PSII es:
4 e- + 2 H+ estroma + 2 NADP+ 4 fotones 2 NADPH (reaccion general del PSI).
No todos los electrones que pasan la ferredoxina
terminan siempre en el NADPH, pueden tomarse vías alternativas según el
organismo y las condiciones particulares. Por ejemplo los electrones del PSI pueden
usarse para reducir varios receptores inorgánicos. Estas vías para los
electrones pueden conducir a la reducción
final del nitrato (NO-3) en amoniaco (NO3)
o del sulfato (SO24-) en sulfhidrilo (-SH),
ingredientes clave de la molécula biológicas. Por tanto la energía de luz solar
no solo se usa para reducir los átomos de carbono más oxidados (los del CO2),
sino también para reducir las formas muy oxidadas de átomos de nitrógeno y
azufre.
NÚCLEO.
Según
el libro de karp quinta edición, el núcleo de una célula eucariota tiene una
morfología más bien común. El contenido del núcleo se presenta como una masa
amorfa y viscosa de material encerrada por una envoltura nuclear compleja, que
forma una transición entre el núcleo y el citoplasma. Dentro del núcleo de una
interfase típica (es decir, no mitótica) la célula tiene: 1) los cromosomas,
que se observan como fibras de nucleoproteína muy extendidas, denominadas
cromatina; 2) uno o más nucléolos, estructuras electrodensas de forma irregular
que funcionan en la síntesis del RNA ribosómico (ácido ribonucleico) y el
ensamble de ribosomas; 3) el nucleoplasma, una sustancia líquida en la que los
solutos del núcleo se disuelven, y 4) la matriz nuclear, una red fibrilar que contiene
proteínas.
Nucléolo.
Según
en Modelos Celulares, Célula eucariota en el organismo humano, un subsistema
compartimentado. Facultad de Ciencias Médicas Dr. Salvador Allende. El nucléolo es una región del núcleo que se
considera una estructura supra-macromolecular, que no posee membrana que lo
limite. La función principal del nucléolo es la transcripción del ARN ribosomal
por la polimerasa I, y el posterior procesamiento y ensamblaje de los
pre-componentes que formarán los ribosomas. El nucléolo ha sido denominado
como: estructura, orgánulo, región, agrupamiento o compartimiento según los
métodos de estudio utilizados. Un estudio morfológico lo definiría como
estructura o región; en tanto que un estudio bioquímico diría que es un
compartimiento o un agrupamiento macromolecular. La genética definiría al
nucléolo como una entidad citogenética, que determina un compartimiento
subnuclear; éste delimita los dominios moleculares funcionales necesarios para
su actividad.
Cromosomas y cromatina
Según
el libro de karp quinta edición. Al parecer los cromosomas aparecen al
principio de la mitosis y desaparecen una vez que la división celular concluye.
La aparición y desaparición de los cromosomas hizo surgir en los citólogos una
pregunta que los desafiaba: ¿cuál es la naturaleza de los cromosomas en una
célula no mitótica? En la actualidad se cuenta con la capacidad para generar
una respuesta razonable a esta pregunta.
Empaquetamiento del genoma.
Una
célula humana promedio contiene cerca de 6.4 mil millones de pares de bases de DNA
divididos entre 46 cromosomas (el valor para el número de cromosomas diploides
no replicados). Cada cromosoma no replicado contiene una molécula continua y
única de DNA; entre más largo es el cromosoma, más largo es el DNA que
contiene. En los Nucleosomas: el nivel mínimo de organización cromosómica Los cromosomas
se componen de DNA y proteínas relacionadas, que en conjunto se conocen como
cromatina. El empaquetamiento ordenado del DNA eucariota depende de las
histonas, un importante grupo de pequeñas proteínas que poseen un inusual contenido
alto de los aminoácidos básicos arginina y lisina.
Las histonas se dividen en
cinco clases, que pueden distinguirse por su relación arginina/lisina. Las
secuencias aminoacídicas de las histonas, en particular H3 y H4, experimentaron
pocos cambios durante largos periodos de la evolución. Además casi todos los
aminoácidos de una molécula de histona participan en una interacción con otra
molécula, ya sea DNA u otra histona. Como resultado, muy pocos aminoácidos de
una histona pueden remplazarse con otros aminoácidos sin afectar de manera
significativa la función de la proteína.
A
principio del decenio de 1970, se encontró que cuando la cromatina se trataba con
nucleasas inespecíficas, la mayor parte de los DNA se convertía en fragmentos
de aproximadamente 200 pares de bases de longitud. En cambio, un tratamiento
similar del DNA desnudo (es decir, DNA sin proteínas) producía al azar una
población de fragmentos de DNA de diferentes tamaños. Este hallazgo sugirió que
el DNA cromosómico estaba protegido del ataque enzimático, excepto en ciertos
sitios repetidos a lo largo de su longitud. Se supuso que las proteínas
relacionadas con DNA conferían la protección. En 1974, con los datos obtenidos de
la digestión de nucleasa y otros tipos de información, entonces Roger Kornberg,
en la Harvard University, propuso una estructura por completo nueva para la
cromatina. Kornberg postuló que el DNA y las proteínas histónicas se organizan en
subunidades repetidas, denominadas nucleosomas. Ahora se sabe que cada
nucleosoma contiene una partícula nuclear de nucleosoma que consiste en 146
pares de bases de DNA superenrollado envuelto por lo menos dos veces alrededor de
un complejo en forma de disco de ocho moléculas de histona. El núcleo de histona
de cada nucleosoma consta de dos copias de cada histona H2A, H2B, H3 y H4,
ensambladas en un octámero, como se discute más adelante. La histona restante
(la del tipo H1) reside fuera de la partícula nuclear del nucleosoma. El DNA y
los núcleos de histonas se mantienen juntos mediante distintos tipos de enlaces
no covalentes, inclusive los enlaces iónicos entre los fosfatos con carga
negativa del esqueleto de DNA y los residuos con carga positiva de las
histonas. Las dos moléculas hacen contacto en sitios donde el surco DNA se relaciona con el núcleo de la histona,
lo que ocurre a intervalos aproximados de 10 pares de bases. Entre estos puntos
de contacto las dos moléculas están separadas por un espacio considerable, que
debe brindar acceso a los factores de transcripción del DNA y otras proteínas
que unen DNA. Aunque por muchos años se pensó que las histonas eran moléculas
estructurales inertes, como se verá en las siguientes secciones, estas pequeñas
proteínas tienen funciones de importancia crítica en la determinación de la
actividad del DNA con el que se relacionan.
EL CICLO CELULAR.
Según karp en su libro de biologia
molecular y celular quinta edición. En una población de células en división, ya
sea dentro del cuerpo o en una caja de cultivo, cada célula pasa por una serie
de etapas defi nidas que constituyen el ciclo celular. El ciclo celular puede
dividirse en dos fases principales con base en las actividades celulares
visibles con un microscopio óptico: la fase M y la interfase. La fase M incluye:
1) el proceso de mitosis, durante el cual los cromosomas duplicados se separan
en dos núcleos, y 2) la citocinesis, en la que toda la célula se divide en dos
células hijas. La interfase es el periodo entre las divisiones celulares, es un
intervalo donde la célula crece y efectúa diversas actividades metabólicas.
Mientras que la fase M sólo suele durar alrededor de 1 h en las células de
mamíferos, la interfase puede extenderse por días, semanas o más tiempo, según
el tipo celular y las condiciones imperantes. Aunque la fase M es el periodo en
que el contenido de la célula se divide en realidad, durante la interfase
ocurren muchos preparativos para la mitosis próxima, inclusive la replicación
del DNA (ácido desoxirribonucleico) celular. Podría suponerse que la célula
realiza la replicación durante la interfase, pero estudios efectuados en el decenio
de 1950 respecto a cultivos asincrónicos (cultivos cuyas células están distribuidas
al azar en distintos momentos del ciclo celular) mostraron que no es así. la
replicación del DNA puede seguirse mediante la incorporación de [3H]timidina al
DNA recién sintetizado. Si se aplica [3H]timidina a un cultivo celular durante un
periodo corto (p. ej., 30 min) y una muestra de la población celular se fija,
se seca en un portaobjetos y se examina mediante autorradiografía, se observa
que sólo una fracción de las células tiene núcleos radiactivos. Entre las
células que realizaban la mitosis en el momento de la fijación (como se
demuestra por sus cromosomas compactos) no se encontró ninguna con
radiactividad nuclear. Estas células mitóticas tienen cromosomas sin marca porque
no experimentaban la replicación del DNA durante el periodo de marcado. Tampoco
se encuentran células con cromosomas mitóticos marcados si se permite que el
proceso de marcado continúe durante una o varias horas antes de tomar la
muestra de las células. Con estos resultados puede concluirse que hay un
periodo definido entre el final de la síntesis de DNA y el principio de la fase
M. Este periodo se denomina G2 (por segunda brecha, gap en inglés). La duración
de G2 se descubre al continuar el muestreo celular del cultivo hasta encontrar
cromosomas mitóticos marcados. Las primeras células con cromosomas mitóticos
marcados debieron estar en las últimas etapas de la síntesis del DNA al principio
de la incubación con [3H] timidina. La duración del intervalo entre el comienzo
del periodo de marcado y la aparición de células con figuras mitóticas marcadas
corresponde a la duración de G2.
La duplicación del DNA ocurre
durante un periodo del ciclo celular llamado fase S. La fase S también es el
periodo en el que la célula sintetiza las histonas adicionales que se
necesitarán cuando la célula duplique el número de nucleosomas en sus cromosomas.
La duración de la fase S puede determinarse en forma directa. En un cultivo
asincrónico, el mantienen una renovación continua, con formación constante de
nuevas células por división celular. Esta categoría comprende las
espermatogonias que dan origen a los gametos masculinos, las células
primordiales hemopoyéticas que producen glóbulos rojos y blancos, y las células
de la base de muchos epitelios que recubren las cavidades corporales y la superfi
cie del cuerpo. Las células hasta cierto punto no especializadas del meristemo
apical que se localiza cerca de las puntas de las raíces y los tallos vegetales
también muestran una división celular rápida y continua. La duración de los
ciclos celulares varía desde 30 min en un embrión de rana que se divide y cuyas
células carecen de fases G1 y G2, hasta varios meses en los tejidos de
crecimiento lento, como el hígado de los mamíferos. Con unas cuantas excepciones
notables, las células que dejaron de dividirse, ya sea en forma temporal o
permanente, en el cuerpo o en un cultivo, se encuentran en una etapa previa al
inicio de la síntesis de DNA. Se dice que las células que se detienen en tal
estado (que abarca la mayoría de las células del cuerpo) se encuentran en el
estado G0 para distinguirlas de las células en la fase G1 típica que pronto
podrían entrar en la fase S. Una célula debe generar una señal interna para
pasar de la fase G0 o G1 a la fase S. Una vez que la señal para iniciar la
replicación del DNA se produce, la célula siempre completa la ronda de síntesis
de DNA y continúa a través de la mitosis.
La mitosis es
un proceso de división nuclear en el que las moléculas replicadas de DNA de
cada cromosoma se reparten con exactitud en dos núcleos. La mitosis suele
acompañarse de la citocinesis, un proceso por el que una célula en división se separa
en dos, con lo que el citoplasma se divide en dos paquetes celulares. Las dos
células hijas resultantes de la mitosis y la citocinesis tienen un contenido
genético idéntico entre sí y al de la célula madre de la que provienen. Por
tanto la mitosis mantiene el número de cromosomas y genera nuevas células para
el crecimiento y el mantenimiento de un organismo. La mitosis puede ocurrir en
células haploides o diploides. Las células mitóticas haploides se encuentran en
hongos, gametofi tos de las plantas y en unos cuantos animales (inclusive abejas
macho, conocidas como zánganos). La mitosis es una etapa del ciclo celular en la
que la célula dedica toda su energía a una sola actividad: la separación
cromosómica. Como resultado la mayoría de las actividades metabólicas de la
célula, entre ellas la transcripción y la traducción, se detienen durante la
mitosis y la célula entra en una falta relativa de respuesta a los estímulos
externos.
La meiosis: La producción de descendientes por
reproducción sexual incluye la unión de dos células, cada una con un conjunto haploide
de cromosomas. la duplicación del número de cromosomas en la fertilización se compensa
por la reducción equivalente en el número de cromosomas en una etapa previa a
la formación de los gametos. Esto se logra mediante la meiosis, un término
acuñado en 1905 a partir de la palabra griega que signifi ca “reducción”. La
meiosis asegura la producción de una fase haploide en el ciclo de la vida, y la
fertilización, una fase diploide. Sin la meiosis, el número de cromosomas se
duplicaría con cada generación y la reproducción sexual sería imposible.
ENVEJECIMIENTO Y MUERTE CELULAR.
Según José Pardo. El envejecimiento es un proceso
natural, gradual y continuo que a través
del tiempo es inducido por factores intrínsecos y extrínsecos, que modifican
las propiedades y capacidades de los materiales. La definición general se puede
aplicar a todas las clases de materiales: físicos, químicos, biológicos o
celulares. Esto ocurre por la muerte de la célula, esta durante su
funcionamiento normal generan radicales libres, especies reactivas del oxígeno
(ROS), que son compuestos muy reactivos que modifican la estructura de las
macromoléculas del organismo (ácidos nucleicos, proteínas, lípidos), provocando
la pérdida de su función y como
consecuencia, la alteración de la función celular de los tejidos y de los
diferentes órganos. Nuestro organismo está en un estado constante de
degradación y reparación, por lo que el envejecimiento se inicia con el
desequilibrio en este estado de degradación-reparación, cuando la acumulación
de daños es superior a la capacidad de reparación. Los elementos causantes del
envejecimiento biológico son tanto extrínsecos como intrínsecos ya dicho
anteriormente. Entre los extrínsecos se puede citar: la exposición a agentes
tóxicos (tabaco, alcohol, drogas, etc.), radiaciones UV (fotoenvejecimiento),
estrés y tipo de alimentación, entre otros. Es inmediato pensar que las
personas expuestas de manera continuada a factores extrínsecos como los citados
envejecerán antes que las personas no expuestas a los mismos. Además de los
agentes extrínsecos, que en la mayoría de los casos pudieran ser evitables,
existen factores intrínsecos, no evitables, que son los producidos durante la
vida. Para evitar que ocurra el
envejecimiento actúan los Telómeros estas son las regiones de los extremos de
los cromosomas y están compuestos de secuencias repetitivas de ADN que no
codifican para ningún gen en particular. Una de sus funciones esenciales es la
de proteger al resto del cromosoma de la degradación y de la unión de los
extremos del ADN entre sí por enzimas reparadoras. Y como función principal es
la estabilidad estructural de los cromosomas en las células eucariotas, la
división celular y el tiempo de vida de las estirpes celulares. A medida que
una célula eucariota, realiza el proceso de división celular, mitosis, va
perdiendo fragmentos de los Telómeros a causa de la no replicación de los
extremos de las secuencias de ADN lineales, produciéndose un acortamiento de
estos, lo que provoca una disminución progresiva de funcionalidad, y en última
instancia, la muerte de la célula. Al mismo tiempo, los factores extrínsecos e
intrínsecos implicados en el envejecimiento participan en el acortamiento de
los Telómeros. Los Telómeros de las células diferenciadas serán más cortos en
células que se hayan dividido más veces que los de células más jóvenes. Además,
las células de organismos de edad más avanzada se dividen menos veces que las
células de organismos de menor edad.
Muerte celular inducida: Necrosis, son los cambios morfológicos
consecuentes a la muerte celular en el tejido vivo, principalmente debidos a la
degradación enzimática de las células con daños letales. También se podría
decir que, Es la muerte de tejido corporal y ocurre cuando no está llegando
suficiente sangre al tejido, ya sea por lesión, radiación o sustancias
químicas. La necrosis es irreversible
Muerte celular programada: Apoptosis, es el proceso ordenado por el que
la célula muere ante estímulos extra o intracelulares.las formas de la necrosis
se podrían identificar de la siguiente manera, Coagulativa. Licuefactiva.
Gangrenosa. Caseosa. Grasa. Fibrinoide.
La apoptosis es fundamental en el desarrollo de órganos y sistemas, en el
mantenimiento de la homeostasis del número de células y en la defensa frente a
patógenos. Algunas de las enfermedades que ocurren por causa de la
apoptosis son las Enfermedades asociadas a la inhibición de
apoptosis tales como: Cáncer: linfoma no
Hodgkin folicular (bcl2 +), carcinoma (p53 +), Carcinoma de mama, carcinoma de próstata, tumores hormono-dependientes, carcinoma de
ovario. Enfermedades autoinmunitaria: Lupus eritematoso sistemático, Glomerulonefritis autoinmunitaria.
Infecciones virales: Virus herpes, Poxvirus, Adenovirus (E1B). Enfermedades
asociadas a aumento de apoptosis: Sida. Aumento neurodegenerativo: Enfermedad
de Alzheimer, Enfermedad de Parkinson, Esclerosis lateral amiotrofica,
Retinitis pigmentosa, Degeneración cerebelosa. Síndrome mielosdisplasicos:
Anemia aplastica. Daño Isquémico: Infarto del miocardio, Apoplejía, Daño por
repercusión. Daño Hepático por Alcohol.
