El flujo de electrones fotosintético es conducido por dos reacciones fotoquímicas catalizadas por el PSII y PSI, que están unidos en serie por la cadena de transporte de electrones (Figura 6).
Estroma
Lumen
Figura 6. Ruta de transporte de electrones de la fotosíntesis oxigénica.
Se muestra el transporte de electrones con líneas de puntos, indicando la dirección del flujo con flechas (Rochaix, 2011).
La actividad fotoquímica del PSII crea una separación de carga a través de la membrana tilacoidal capaz de oxidar el agua con la consecuente disociación en protones y oxígeno en el lumen tilacoidal, y la reducción de los aceptores primarios de electrones del PSII (QA y QB) en el lado estromático de la membrana. Una vez que ha aceptado los
dos electrones, QB es liberado del PSII al pool de plastoquinonas y al plastoquinol
reducido del Cytb6f. Este complejo actúa como una bomba de protones. La oxidación del plastoquinol libera dos protones en el lado del lumen y dos electrones, uno de los cuales es transferido a través del bajo potencial de la cadena a cytL y cytH en el complejo Cytb6f, y finalmente a una quinona en el sitio Qi para formar una semiquinona. La transferencia de electrones desde el Cytb6f al PSI es mediada por la plastocianina en el lumen tilacoidal. PSI actúa como un conductor de la luz mediante la oxidación de la plastocianina, transfiriendo los electrones a través de sus tres centros internos de 4Fe-4S a la ferredoxina. Por último, estos electrones pueden ser usados por la ferredoxina NADP+ reductasa (FNR) para producir NADPH, el cual, junto con el ATP generado por la ATP sintasa, permiten la asimilación de CO2 a través del ciclo de
Introducción
Calvin-Benson. Además, la ferredoxina dona los electrones a otras rutas tales como la transferencia de electrones cíclica, la asimilación de azufre y nitrógeno, y a las tiorredoxinas, que regulan la asimilación de carbono (Rochaix, 2011).
En los últimos años se han realizado avances en la comprensión de la composición, estructura, ensamblaje y regulación de los complejos fotosintéticos mayoritarios PSII y PSI, así como los sistemas de antenas asociados, Cytb6f y ATP sintasa. Estos contienen múltiples subunidades, pigmentos y cofactores redox que son sintetizados a través de la acción coordenada de los genomas nucleares y cloroplásticos. Este origen dual de las proteínas fotosintéticas necesita una red de regulación compleja para su expresión coordenada (Allen, 1993). La localización de estos dos sistemas en el mismo compartimento celular permite un ajuste rápido de la expresión de los genes a cambios medioambientales. Así, la expresión de genes involucrados en la fotosíntesis está regulada por muchos factores, y entre ellos, la luz es particularmente importante. Aunque la luz es esencial para la fotosíntesis, un exceso de la misma puede ser perjudicial cuando la luz absorbida excede la capacidad de la maquinaria fotosintética. Bajo estas condiciones, el exceso de fotones y electrones necesitan ser disipados para proteger el aparato fotosintético del daño inducido por luz. Esto ocurre a través de un proceso que se induce con rapidez denominado decaimiento no-fotoquímico o “non-
photochemical quenching” (NPQ), en el cual el exceso de luz absorbida es disipado
como calor (Niyogi, 1999). Además de este proceso, existen otros mecanismos de fotoprotección tales como enzimas y moléculas plastídicas antioxidantes, y procesos de reparación de la peroxidación lipídica y los daños en el PSII (Nixon et al., 2010). En el otro extremo, bajo condiciones de poca luz, la maquinaria fotosintética se adapta para optimizar su rendimiento fotosintético.
Además del transporte lineal de electrones (LEF), el sistema puede realizar un transporte de electrones cíclico (CEF). En este caso, la ferredoxina reducida transfiere sus electrones de vuelta al pool de plastoquinonas a través del NADPH o directamente al complejo Cytb6f, provocando un flujo de electrones cíclico alrededor del PSI, acompañado de traslocación de protones y formación de ATP. La fijación de una molécula de CO2, o lo que es lo mismo, un ciclo en la ruta de Calvin-Benson, consume
3 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADPH. Sin embargo, el ratio ATP/NADPH es de 1,28 para LEF, no siendo suficiente para llevar a cabo el ciclo de Calvin (Joliot y Joliot, 2002). En las plantas C3, el transporte de electrones cíclico es especialmente importante bajo condiciones de estrés tales como bajo CO2, luz de alta intensidad,
sequía, o durante la transición de oscuridad a luz. Bajo estas condiciones, el flujo de electrones cíclico permite la acidificación del lumen tilacoidal, que es requerido para la inducción de la síntesis de ATP y de la repuesta del decaimiento no fotoquímico (NPQ),
el cual reprime al PSII. El CEF es también importante cuando la fotorrespiración está inducida porque se requiere más ATP para la fijación de CO2 bajo estas condiciones.
La deficiencia en el flujo de electrones cíclico provoca una menor acidificación del lumen y una disminución del NPQ. La sobre-reducción de la cadena de transporte de electrones puede parar este flujo de electrones porque bajo estas condiciones los electrones no tienen a dónde ir. En este caso, ocurre un flujo de electrones pseudo- cíclico en el cual la transferencia de electrones procede desde el agua hasta el PSI con el oxígeno molecular como alternativa actuando como aceptor de electrones. Este proceso es llamado reacción de Mehler y conduce a la creación de superóxido, que es convertido en peróxido de hidrógeno por la enzima superóxido dismutasa, y en agua y oxígeno por las peroxidasas y catalasas (ciclo de agua-agua). Este ciclo agua-agua fue propuesto para restablecer el equilibrio redox en condiciones de sobre-reducción (Ort y Baker, 2002).
Las condiciones limitantes de micronutrientes pueden afectar profundamente la trasferencia de electrones fotosintéticos. Bajo limitación de azufre, las algas verdes reprimen la actividad del PSII y la evolución de oxígeno (Pollock et al., 2005). Esto conduce a un estado anaeróbico en el cual las actividades del complejo Cytb6f y PSI no disminuyen significativamente para así permitir a las células mantener la síntesis de ATP a través del transporte de electrones cíclico. Además, en condiciones limitantes de azufre aumenta la degradación de almidón, proteínas o lípidos, permitiendo así la producción de electrones que son direccionados al pool de plastoquinonas a través del complejo Ndh-2. Debido a que el ciclo Calvin-Benson, que actúa como el mayor sumidero de electrones, está reprimido bajo condiciones limitantes de sulfuro, esto puede generar un exceso de poder reductor y daño oxidativo.
Es importante resaltar que, además del transporte de electrones fotosintético, existen otras rutas que también proporcionan poder reductor a los plastidios y a la red tiol/disulfuro, como por ejemplo, la ruta de la pentosa fosfato oxidativa y la ruta malato/oxaloacetato a través de la membrana plastídica. Estas rutas son especialmente importantes en oscuridad y en plastos no fotosintéticos (Dietz y Pfannschmidt, 2011).