Terry Bricker, profesor de la familia Moreland en el Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad Estatal de Luisiana LSU y colegas de la Universidad Palacký en la República Checa y en la Universidad de Cincinnati en Ohio han resuelto un antiguo misterio en la fotosíntesis, un proceso utilizado porplantas y otros organismos para convertir la energía de la luz en energía química. Sus hallazgos se presentan en un estudio publicado esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS.
La fotosíntesis es un proceso químico vital no solo para las plantas, sino también para los humanos. Al usar la luz solar, produce el oxígeno que respiramos y gran parte de los alimentos que consumimos.
Pero hay un problema con el proceso fotosintético en las plantas, un problema que continúa desconcertando a los científicos de la actualidad. Uno de los jugadores vitales en la fotosíntesis, un complejo de proteínas llamado Photosystem II, se paraliza esencialmente al producir químicos dañinos conocidos como especies reactivas de oxígeno,como moléculas de agua con muy pocos electrones y moléculas de oxígeno con demasiados.
"Photosystem II es parte del sistema de transporte de electrones que produce el oxígeno en las plantas", explica Bricker. "Obtiene el 'espectáculo en el camino', por así decirlo. Pero tiene un problema. Debido a la química de esta proteínaEl complejo funciona en la producción de gas oxígeno, genera especies reactivas de oxígeno, como el peróxido de hidrógeno, que son perjudiciales para las proteínas. Si bien Photosystem II produce oxígeno, también se está dañando a sí mismo en el proceso ".
El resultado de este daño es una reducción de hasta un 20 por ciento en la productividad en Photosystem II en el transcurso de unas pocas horas de actividad fotosintética durante las horas del día para las plantas. Esta reducción de la productividad tiene un impacto económico significativo para la sociedad, en términos de producciónBricker dice que el daño al Photosystem II tiene que repararse para mantener el espectáculo de fotosíntesis en el camino, así como un mecánico tendría que reparar un pistón roto en el motor de su automóvil para que pueda volver a funcionar.Pero aquí radica el gran misterio: los científicos aún no entienden exactamente cómo sucede esto, o exactamente cómo y dónde ocurre el daño al Photosystem II.
"Comprender exactamente cómo y dónde se produce el daño podría ser muy útil para nosotros, si pudiéramos encontrar formas de, por ejemplo, prevenir el daño al Photosystem II en las plantas", dijo Bricker. "Mi grupo de investigación se centra encomprender el proceso de daño que afecta al fotosistema II, o cómo ocurre el daño, qué especies reactivas de oxígeno están involucradas y dónde están dañando exactamente este complejo de proteínas ".
Los coautores de Bricker, Ravindra Kale, en el Departamento de Biofísica del Centro de la Región Haná para la Investigación Biotecnológica y Agrícola en la República Checa y Pavel Pospíšila en la Universidad de Cincinnati en Ohio descubrieron que un radical hidroxilo y un superóxido, tipos delas especies reactivas de oxígeno son culpables de dañar Photosystem II durante la fotosíntesis. En su nuevo estudio publicado en PNAS, Bricker y sus colegas también identificaron las regiones específicas del complejo proteico Photosystem II donde estas especies reactivas de oxígeno causan estragos.
El grupo de investigación de Bricker tiene una larga historia de uso de una técnica llamada espectrometría de masas para identificar residuos de aminoácidos modificados oxidativamente, o regiones específicas de proteínas que han sido afectadas por reacciones con especies dañinas de oxígeno reactivo.
"Determinamos qué residuos de aminoácidos, porciones de las proteínas individuales que forman el Photosystem II, en realidad se están modificando con las especies reactivas de oxígeno producidas durante la fotosíntesis", dijo Bricker. Bricker y sus colegas encontraron que las regiones del Photosystem II más cercanas a dondeLas especies reactivas de oxígeno que se crean durante la fotosíntesis se dañan primero, en regiones de dos proteínas que los investigadores identifican como D1 y D2.
El grupo de investigación pudo localizar las áreas en Photosystem II más susceptibles al daño al tomar extractos de hojas de espinaca y exponerlos a la luz solar brillante durante varias horas
"Pudimos observar cómo Photosystem II estaba dañado, al monitorear su actividad a lo largo del tiempo", dijo Bricker. "A intervalos específicos, entramos y analizamos proteínas Photosystem II usando espectrometría de masas, para averiguar qué aminoácidos estaban siendomodificado. Encontramos que los residuos de aminoácidos cerca de donde el oxígeno es creado por Photosystem II se dañan primero. Algún tiempo después, se produce daño a lo largo de la cadena de transporte de electrones que transporta los electrones lejos del sitio de producción de oxígeno ".
Estos hallazgos revelan por primera vez las regiones específicas de daño que provocan la reparación del Photosystem II, de modo que la fotosíntesis puede continuar con el tiempo en plantas como las espinacas que disfrutamos regularmente en nuestras ensaladas.
"Durante muchos años, los científicos han estado tratando de buscar información sobre el proceso que perjudica al Photosystem II", dijo Kale. "En este estudio, hemos identificado las especies reactivas de oxígeno responsables principalmente del daño fotooxidativo y sus objetivos principalesy mecanismo. Esto abre un nuevo paradigma para comprender el comportamiento sistemático del Photosystem II, que produce oxígeno durante la fotosíntesis ".
"Es una experiencia increíble pasar de preparar muestras en el laboratorio a sentarse en una oficina mirando la pantalla de una computadora que muestra los residuos de aminoácidos exactos que se modificaron en los experimentos que realizó", dijo la coautora del estudio, Annette Hebert, quiencontribuyó al proyecto como estudiante de pregrado en el laboratorio de Bricker en LSU.
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Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Louisiana . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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