19.2.2. Un par especial de clorofilas inicia la separación de cargas
Las subunidades L y M forman el núcleo estructural y funcional del centro de reacción fotosintético bacteriano (véase la figura 19.9). Cada una de estas subunidades homólogas contiene cinco hélices transmembrana. La subunidad H, que sólo tiene una hélice transmembrana, se encuentra en el lado citoplasmático de la membrana. La subunidad del citocromo, que contiene cuatro hemas de tipo c, se encuentra en el lado periplásmico opuesto. Cuatro moléculas de bacterioclorofila b (BChl-b), dos moléculas de bacteriofetina b (BPh), dos quinonas (QA y QB) y un ion ferroso están asociados a las subunidades L y M.
Las bacteriofilas son similares a las clorofilas, excepto por la reducción de un anillo de pirrol adicional y algunas otras diferencias menores que desplazan sus máximos de absorción al infrarrojo cercano, a longitudes de onda de hasta 1000 nm. Bacteriopheophytin es el término para una bacteriochlorophyll que tiene dos protones en vez de un ion de magnesio en su centro.
La reacción comienza con la absorción de luz por un dímero de moléculas BChl-b que se encuentran cerca del lado periplásmico de la membrana. Este dímero, llamado par especial por su papel fundamental en la fotosíntesis, absorbe la luz al máximo a 960 nm, en el infrarrojo cerca del borde de la región visible. Por esta razón, el par especial se denomina a menudo P960 (la P significa pigmento). La excitación del par especial conduce a la expulsión de un electrón, que se transfiere a través de otra molécula de BChl-b a la bacteriofetina de la subunidad L (Figura 19.10, pasos 1 y 2). Esta separación de carga inicial, que produce una carga positiva en el par especial (P960+) y una carga negativa en la BPh, ocurre en menos de 10 picosegundos (10-11 segundos). Curiosamente, sólo se utiliza uno de los dos caminos posibles dentro del dímero L-M casi simétrico. En sus estados de alta energía, P960+ y BPh- podrían sufrir una recombinación de carga; es decir, el electrón de BPh- podría volver a neutralizar la carga positiva del par especial. Su regreso al par especial desperdiciaría un valioso electrón de alta energía y simplemente convertiría la energía luminosa absorbida en calor. Tres factores en la estructura del centro de reacción trabajan juntos para suprimir la recombinación de carga casi por completo (Figura 19.10, pasos 3 y 4). En primer lugar, otro aceptor de electrones, una quinona fuertemente unida (QA), está a menos de 10 Å de BPh-, por lo que el electrón se transfiere rápidamente lejos del par especial. Recordemos que las tasas de transferencia de electrones dependen fuertemente de la distancia (Sección 18.2.3). En segundo lugar, uno de los hemos de la subunidad del citocromo está a menos de 10 Å del par especial, por lo que la carga positiva se neutraliza mediante la transferencia de un electrón desde el citocromo reducido. Finalmente, la transferencia de electrones desde el BPh- al par especial cargado positivamente es especialmente lenta: la transferencia es tan termodinámicamente favorable que tiene lugar en la región invertida donde las tasas de transferencia de electrones se vuelven más lentas (Sección 18.2.3). Así, la transferencia de electrones procede eficientemente de BPh- a QA.
Figura 19.10
Cadena de electrones en el centro de reacción bacteriano fotosintético. La absorción de luz por el par especial (P960) resulta en la rápida transferencia de un electrón desde este sitio a una bacteriofetina (BPh), creando una separación de carga fotoinducida (pasos (más…)
Desde QA, el electrón se mueve a una quinona más débilmente asociada, QB. La absorción de un segundo fotón y el movimiento de un segundo electrón por el camino desde el par especial completan la reducción de dos electrones de QB de Q a QH2. Debido a que el sitio de unión de QB se encuentra cerca del lado citoplasmático de la membrana, se toman dos protones del citoplasma, lo que contribuye al desarrollo de un gradiente de protones a través de la membrana celular (Figura 19.10, pasos 5, 6 y 7).
¿Cómo recupera la subunidad del citocromo del centro de reacción un electrón para completar el ciclo? La quinona reducida (QH2) es reoxidada a Q por el complejo III de la cadena respiratoria de transporte de electrones (Sección 18.3.3). Los electrones de la quinona reducida se transfieren a través de un intermediario soluble del citocromo c, llamado citocromo c2, en el periplasma a la subunidad del citocromo del centro de reacción. El flujo de electrones es, pues, cíclico. El gradiente de protones generado en el curso de este ciclo impulsa la generación de ATP a través de la acción de la ATP sintasa.