CLOROPLASTOS

Microfotografía de un cloroplasto

CARACTERÍSTICAS• Los cloroplastos son orgánulos típicos y

exclusivos de las células vegetales que poseen clorofila (a y b). Pertenecen a un grupo de organelos denominados PLASTIDIOS o PLASTOS

• Se encuentran en hojas, tallos y frutos inmaduros. En los tejidos fotosintetizadores, pueden alcanzar el medio millón/mm2

• Su estructura es polimórfica y de color verde por la acumulación de clorofila. Su forma más frecuente es lenticular, ovoide o esférico.

Cloroplastos

Esquema bidimensional de un Cloroplasto

• También presenta una doble membrana (externa e interna) y entre ellas un espacio intermembranoso. La externa, más permeable, presenta proteínas receptoras y transportadoras para el ingreso de moléculas citosólicas

• El interior se rellena por un gel llamado ESTROMA, donde se localizan su ADN independiente del núcleo, que se auto replica y plastorribosomas.

• Inmersos en el estroma existen unos sacos aplanados llamados TILACOIDES o lamelas cuyo interior se llama LÚMEN. Los tilacoides pueden extenderse por todo el estroma o apilarse formando paquetes llamados GRANA.

• En la membrana de los grana o tilacoides se ubican los sistemas proteicos y de pigmentos que captan la energía del sol y efectúan el transporte de electrones para formar ATP y poder reductor.

• En el estroma se lleva a cabo la fase oscura de la fotosíntesis (ciclo de Calvin), con la transformación de la materia inorgánica (CO2) en orgánica (glucosa) utilizando el ATP y el NADPH + H+ producidos en la fase clara de la Fotosíntesis.

• Como las mitocondrias, también producen energía, pero por vías que son diferentes ya que utilizan la energía solar para transformarla en química (glucosa).

• Se generan de un cloroplasto preexistente en las células meristemáticas (tejido de crecimiento y reproducción celular)

• El número de ellos está en relación con las demandas nutricionales y el suministro luminoso de la célula

• En el año 1954, se determinó experimentalmente que existe evidencia de herencia citoplasmática o extranuclear en el alga unicelular Chlamidomonas reinhardtii, que posee un único cloroplasto. La resistencia a estreptomicina manifestado por sólo uno de los parentales, presentó un patrón de herencia no mendeliano.

• Posteriormente, se verificó la presencia de DNA en este organelo por métodos de ultracentrifugación

• El DNA es una molécula circular y es único para todos los cloroplastos de una especie vegetal.

DNA del Cloroplasto

• Su tamaño varía entre 120 a 200 Kpb, con características similares al DNA mitocondrial pero codifica un mayor número de genes.

• Entre los genes existentes están para: tRNAs, rRNA y proteínas ribosomales; subunidades de la RNA polimerasa, la subunidad mayor de la RUBISCO, de las cadenas transportadoras de electrones, ATPasa, fotosistemas, etc.

• Presenta 2 regiones invertidas repetidas que permiten recombinación entre ellas, cambiando el orden de los genes.

• El análisis comparativo de secuencias de DNA de cloroplastos de diversas especies, permite determinar cambios en este DNA a través de la evolución.

121 Kb de tamaño136 genes para: rRNA (4)tRNAs (31) proteínas (90)

fotosíntesis ytransporte deelectrones (20)

Sentido de transcripciónGenes internos:

sentido del relojGenes externos:

antisentido del reloj

DNA del cloroplasto de Marchantia polymorpha, una planta primitiva

(hepática)

Metabolismo Energético

Fotosíntesis

Introducción

• En la naturaleza, bajo condiciones adecuadas de luminosidad y temperatura, predomina el color verde de los vegetales terrestres y de las algas en los océanos. Su coloración se debe a la presencia de un pigmento capaz de absorber la luz visible que llega al planeta desde la estrella llamada SOL. Este pigmento, conocido como CLOROFILA, se desmantela en condiciones ambientales menos favorables y deja al descubierto a una serie de otros pigmento que colaboran en este proceso y que poseen diferentes coloraciones (amarilla, dorada, roja, naranja y morada), visibles transitoriamente en temporada otoñal.

Fotosíntesis

• El proceso fotosintético, es el principal mecanismo por el cual la energía luminosa es utilizada para transformar el carbono inorgánico, como ANHÍDRIDO CARBÓNICO AMBIENTAL, y el AGUA en una molécula orgánica, GLUCOSA, de fácil utilización por los mismos organismos fotosintetizadores y por otros organismos heterótrofos consumidores de diferentes ordenes

• Este proceso se desarrolla por medio de una serie consecutiva de reacciones químicas que se llevan a cabo en la célula u órganos verdes del organismo fotosintetizador

Fotosíntesis

• La energía del sol queda retenida en forma de enlaces entre los átomos de la glucosa, una molécula que posee un gran número de átomos de hidrógeno.

• Estas molécula de glucosa, serán la base para la construcción de una gran cantidad de otras moléculas orgánicas constituyentes de los seres vivos (esqueletos carbonados)

• La base física donde ocurre este proceso es el CLOROPLASTO

Esquema tridimensional de un cloroplasto

Estructura del cloroplasto. Nótese que los granas son vesículas tilacoidales cerradas cuyas membranas poseen además de los lípidos, proteínas que constituyen los fotosistemas y lo complejos citocromos.

Origen de la fotosíntesis

• En los comienzos de la vida en el planeta, según la teoría de la evolución orgánica, las primeras células que surgieron fue hace unos 3.700 millones de años (registro fósil más antiguo)

• Las primeras que se originaron fueron heterótrofas, “alimentándose” de moléculas formadas por procesos físico-químicos ambientales o desechos de otras células

• Unos 100 millones después de las primeras células surgieron células autótrofas , mucho más simples que las actuales, una vez que las complejas moléculas “energéticas” existentes comenzaron a escasear

• Por evolución, aquellas capaces de utilizar la luz como fuente energética comenzaron a predominar. Esto implicó capturar y utilizar la luz mediante sistemas de pigmentos ( existen fósiles que datan de 3400 millones de años)

• Esto produjo que la energía radiante comenzó a fluir a través de los autótrofos a todas las otras formas de vida

• El surgimiento de la fotosíntesis, que implica la ruptura de moléculas de AGUA y produce OXÍGENO como desecho, cambió la faz del planeta para siempre (atmósfera AERÓBICA)

• El O2 libre, en la alta atmósfera formó O3, que bloqueo la luz UV y dirigió la evolución hacia la aparición de la respiración aeróbica

Etapas de la fotosíntesis

Fases o etapas de la Fotosíntesis

FASE CLARA O LUMINOSA• Se realiza en la

membrana de los TILACOIDES, donde están los pigmentos y proteínas transportadoras de electrones

• Recibe este nombre pues requiere de la luz directa

• Los productos de esta etapa, NADPH y ATP, se obtienen de la captación de la energía luminosa y utilizan en la fase siguiente

FASE OSCURA• Se realiza en el

ESTROMA, donde residen las enzimas que fijan el CO2 ambiental

• Esta etapa no requiere de la luz directa y puede ocurrir en luz u oscuridad

• Se utilizan los productos de la fase clara, ATP y NADPH, para la síntesis de compuestos orgánicos reducidos

Fase Clara: Vía Z (Fotofosforilación no Cíclica)

Trayectoria el electrón desde el fotosistema II al fotosistema I de acuerdo a los potenciales de óxido reducción (esquema Z).

Fase Clara: Flujo

Cíclico de Electrones (fotofosforilaci

ón cíclica)

Transporte cíclico de electrones. Este transporte involucra al fotosistema I, a la ferridoxina, a la ferridoxina-plastoquinona reductasa, al complejo citocromo y a la plastocianina. El producto de este transporte cíclico es la síntesis de ATP.

Fotosistemas

FOTOSISTEMA II (P680)• Contiene una molécula

de clorofila a reactiva• Tiene un máximo de

absorción a 680 nm• Se localiza

preferentemente en las lamelas granales (grana)

• Se encuentra espacialmente separado del fotosistema I en las membranas tilacoidales

FOTOSISTEMA I (P700)• Su máximo de absorción es

de 700 nm, ligeramente mayor al pico normal de la clorofila a

• Presenta propiedades diferentes por que son dos moléculas de clorofila a unidas por una proteína del tilacoides y a su posición en relación a otras moléculas

• Se localiza casi exclusiva mente en las lamelas del estroma y la periferia de las granas

Los fotosistemas consisten de 250 a 400 moléculas de pigmentos que absorben fotones, pero solo la clorofila que poseen pueden realizar una reacción fotoquímica, llamada CENTRO DE REACCIÓN, los demás se denominan PIGMENTOS ANTENA

Disposición tridimensional del fotosistema I (A) y fotosistema II (B) embebidos en la membrana tilacoidal. Cada fotosistema está rodeado por los complejos cosechadores de luz (Lhc).

Molécula de Clorofila

La clorofila es una molécula compleja, formada por cuatro anillos pirrólicos, un átomo de magnesio y una cadena de fitol larga (C20H39OH).

Estructura de las moléculas de clorofila. Note que la Clorofila a se diferencia de la b sólo en que el grupo CH3 del anillo II está cambiado por un grupo CHO. La bacterioclorofila se encuentra en bacterias fotosintéticas como las bacterias verdes y la bacterias púrpuras. En las cianobacterias que dieron origen a los cloroplastos, hay sólo Clorofila a. Note los dobles enlaces conjugados del anillo porfirínico en las tres moléculas de Clorofila.

Espectro de absorción de las moléculas de clorofilas a, b y bacterioclorofila a. La clorofila a y b absorben en el azul y rojo. La bacterioclorofila a en el ultravioleta, violeta y en el infrarrojo.

Vía de síntesis y estructura de los carotenoides.

Note los dobles enlaces conjugados de la cadena hidrocarbonada de las moléculas de carotenos.

Estructura de la Membrana Tilacoidal

Distribución de los complejos proteicos que se encuentran en las membranas tilacoidales que constituyen las vesículas tilacoidales de un grana. Note que el fotosistema II se encuentra siempre en las regiones membranosas adyacentes de una membrana tilacoidal con otra. En cambio el fotosistema I está en las regiones de la membranas expuestas al estroma del cloroplasto.

Resumen del proceso fotosintético. Los procesos luminosos implican la fotólisis del agua con evolución de O2 y síntesis de ATP y NADPH que son usados en la asimilación de CO2 para síntesis de azúcares.

Fase Oscura

• Permite la transformación del CO2 ambiental, que ingresa por los estomas, en monosacáridos altamente reducidos.

• Es llevado a cabo en el interior del estroma del cloroplasto, donde residen las enzimas necesarias

• Es una vía cíclica que permite recuperar los reactivos de partida (azúcar de 5C).

• El ciclo se inicia con la unión del CO2 a la RiBP, (ribulosa 1,5 biP).

• El producto final se escinde para dar 2 moléculas de PGA (fosfoglicerato de 3C) y por ello se denomina Ciclo C3.

Esquema simplificado del Ciclo de Calvin

• La enzima que cataliza la primera reacción es la RuBisCO, Ribulosa Bifosfato Carboxilasa Oxigenasa, la proteína más abundante en el mundo (más de un 15% de la proteína del cloroplasto), localizada sobre los tilacoides

• Para producir una exosa (6C), se requieren 6 vueltas del ciclo

• El ATP se emplea para fosforilar los intermediarios iniciales y en su recuperación posterior

• El NADPH, se emplea únicamente en la reducción del CO2 al inicio del ciclo

• La reacción se resume en:– 6CO2 + 12NADPH2 + 18ATP Glucosa + 12NADP+

+ 18 ADP + 18 Pi + 6 H20

Intermediarios del Ciclo

Localización en el Cloroplasto de las Fases de la Fotosíntesis