Complejo evolucionante de oxígeno

Complejo evolucionante de oxígeno

La parte menos conocida de la fase luminosa es la extracción de los electrones del agua por parte del fotosistema II (PSII). El agua es una molécula muy estable formada por átomos de hidrógeno y oxígeno unidos con firmeza (covalentemente). De hecho, la división del agua es la reacción que implica el mayor desafío desde el punto de vista termodinámico de todas las que se conocen en los organismos vivos. Para separar el agua en el laboratorio se requiere una corriente eléctrica, o temperatura que se aproxima a 2 000 °C.

Fotosistema II

La absorción de la luz en el PSII conduce a la formación de dos moléculas cargadas, P680+ y Feo-(anión feotina); la molécula P680+ es el agente oxidante más potente descubierto en un sistema biológico. El potencial redox de la forma oxidada de P680 es suficientemente potente para extraer electrones de la molécula de agua, con lo que el agua se divide. La separación del agua durante la fotosíntesis se llama fotólisis. Se cree que la formación de una molécula de oxígeno durante la fotólisis requiere la pérdida simultánea de cuatro electrones de dos moléculas de agua:

2 H2O → 4 H+ + O2 + 4e-

Aún así, un centro de reacción del PSII sólo puede generar una carga positiva (P680+), o equivalente oxidante, por vez. Alrededor del decenio de 1970 Pierre Joliot u Bessel Kok propusieron  una solución a este problema, la hipótesis del estado S, que permite al fotosistema acumular cuatro equivalentes oxidantes necesarios para oxidar el agua. Junto a la proteína D1 (una de las proteínas del cuerpo central del PSII) es su superficie lumial, está un conjunto de cinco átomos metálicos -(cuatro átomos de manganeso y uno de calcio)-, estabilizado y protegido por diversas proteínas periféricas que forman el complejo evolucionante de oxígeno. La organización geométrica del cúmulo Mn-Ca se observa en ésta imagen:

Complejo evolucionante del oxígeno

 Éste acumula cuatro equivalentes oxidantes mediante transferencia de cuatro electrones, uno por vez, al P680+ cercano. La transferencia de cada electrón del conjunto de Mn-Ca a P680+ se realiza mediante el paso por un transportador intermediario de electrones, un residuo tirosina en la proteína D1, llamado Tirz. Luego de transferir 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 lo tanto la acumulación por pasos de los cuatro equivalentes oxidantes por el conjunto de Mn-Ca es impulsada por la absorción sucesiva de cuatro fotones de luz por el PSII. Una vez que esto sucede, el sistema ya puede catalizar la eliminación de 4e- de dos moléculas de agua, como se indica en el esquema siguiente:

  

donde el subíndice de S indica el número de equivalentes oxidantes almacenados por el grupo Mn-Ca. La primeva prueba de acumulación de equivalentes oxidantes sucesivos se obtuvo exponiendo células de algas con destellos muy breves (1 µs) de luz. En esta gráfica:

Mediciones de la cinética de la liberación de O2

puede verse que la producción de O2 es máxima después de cada cuatro destellos de luz, lo cual indica que debe acumularse el efecto de cuatro fotorreacciones individuales antes de que pueda liberarse O2.

Los protones que se producen en la reacción de fotólisis se retienen en la luz tilacoidal, donde contribuyen al gradiente de protones. Los cuatro electrones producidos en la reacción de fotólisis sirven para generar un cúmulo de Mn-Ca reducido (estado So), mientras libera O2 hacia el ambiente como producto de desecho. 

Bibliografía:

-Biología molecular y celular, Gerald Karp, novena edición, pág 220-222.