Flujo de electrones desde el agua al fotosistema II El rompimiento del agua en la fotosintesis

Dimitrios A. Pantazis, Maylis Orio, Taras Petrenko, Samir Zein, Wolfgang Lubitz, Johannes Messinger and Frank Neese,  Phys. Chem. Chem. Phys., 2009, 11, 6788

Fotosíntesis, el cloroplasto y las bacterias fotosintéticas La fotosíntesis Reacciones de la luz o fase lumínica de la fotosíntesis Fotosistemas y cadena de transporte de electrones fotosintética Fotosistema II en la cadena de transporte de electrones fotosintética Introducción al funcionamiento de las fotosistemas Estructura general del fotosistema I y II Estructura general del fotosistema II. Parte superior Estructura general del fotosistema II. Parte inferior Funcionamiento del fotosistema II Plastoquinona Flujo de electrones desde el fotosistema II a la plastoquinona Flujo de electrones desde el agua al fotosistema II Fotoinhibición
Flujo de electrones desde el agua al fotosistema II El rompimiento del agua en la fotosintesis
Producir energía a partir del agua es una gran farsa, la cantidad de energía que almacena del agua es extremadamente baja en términos de procesos químicos y termodinámicos. Como cualquier molécula altamente estable, el agua necesita energía para romperse, no al revés.
Toda reacción para que sea termodinámicamente favorable, por lo cual para romper el agua se debe generar un estado o material que al reaccionar con ella sintetice una molécula de menor energía.
Un último detalle adicional, la UNICA reacción de carga de energía en electrones, es la transferencia de electrones desde P680 hacia Pheo. TODAS las demás reacciones de transferencia de energía DEBEN realizarse cuesta abajo, con transferencias energéticas en las que los productos son siempre de menor nivel energético.

Reacción Fe-01. Para la formación de una molécula de oxígeno se requiere del rompimiento de dos moléculas de agua. Esto fe propuesto a principios del siglo XX, pero el como sucedía "caja negra en la flecha de reacción" fue un misterio hasta 1970.

La reacciones de trasferencia de electrones desde el agua hacia P680 por muchas décadas fue la parte menos conocida de las reacciones de fotosíntesis. A pesar de que la reacciones general de la fotosíntesis habían sido formuladas desde principios del siglo XX, pero no fue sino hasta 1970 que gracias a los trabajos de Pierre Joliot y Bessel Kok, quienes propusieron la hipótesis del estado S “mecanismo de funcionamiento del complejo de evolución de oxígeno).
A pesar de que el agua es una molécula muy estable que necesita de grandes cantidades de energía eléctrica o temperaturas superiores a los 2000°C para romperse, los cloroplastos pueden lograrlo aun en plantas que había en las montañas de las tundras del extremo norte y sur del mundo, solo con la energía del espectro visible.
El rompimiento del agua durante la fotosíntesis se llama fotolisis. Sin embargo, la fotolisis no ocurre mediante un segundo bombardeo de fotones, todo debe lograrse mediante los productos que surgen de la primera reacción del fotosistema.

Reacción 2. La única reacción donde interviene la luz es esta, el flujo de electrones desde el centro de reacción P680 a Pheo.

Una vez que P680 se torna  positivo se convierte en un agente oxidante más potente que el oxígeno, lo cual le permite atraer electrones hacia sí mismo. Los electrones son jalados de forma tal que P680(+) es el último aceptor de electrones en esta cadena.
La formación de una sola molécula de oxígeno necesita la fotolisis de dos moléculas de agua, de manera simultánea. Pero la cadena de transporte de electrones en el fotosistema II solo permite el flujo de un electrón a la vez.
Adicionalmente, los experimentos en esta fase de la fotosíntesis se realizaron con ráfagas de luz muy breves, lo cual permitió determinar que una molécula de oxigeno era producida por cada cuatro ráfagas (4 equivalentes de fotones) de luz en el fotosistema.  

Figura Fe-01. Abajo se encuentran dos moléculas de agua que al ingresar en el complejo de evolución de oxígeno reaccionan, liberando 4 electrones, 4 protones y una molécula de oxígeno molecular. Los electrones los jalados hacia P680 gracias a una molécula similar a la clorofila que sirve como puente llamada Tyrz

El problema se resuelve mediante un mecanismo capaz de ahorrar electrones en grupos de 4. A medida que la cadena de transporte de electrones los necesita, este complejo libera de uno en uno, hasta que se queda vacío. En este punto reacciona de manera simultánea con dos moléculas de agua, para extraer cuatro nuevos electrones y de este modo volver a completar sus reservas para los siguientes cuatro préstamos.

Reacción 3. Reaccipón entre el complejo de evolución de oxígeno y el agua, esta solo ocurre cuando el complejo de evolución de oxigeno acumula cuatro cargas positivas producto de la perdida de cuatro electrónes en favor de reconstituir a P680 un electrón a la vez.

Este complejo de ahorro de cuatro electrones por ciclo se le denomina complejo de evolución de oxígeno. Está compuesto por 5 átomos metálicos, 4 de manganeso y 1 de calcio. El complejo solo almacena la suficiente electronegatividad para oxidar el agua una vez ha perdido sus cuatro electrones completamente, y esto solo ocurre una vez P680 se ha tornado positivo cuatro veces consecutivas. PRINCIPAL REGRESAR