Un equipo de científicos de la Facultad de Ciencias Moleculares de la Universidad Estatal de Arizona ha comenzado a repensar la historia evolutiva de los centros de reacción fotoquímica RC. Su análisis se publicó recientemente en línea en Investigación de la fotosíntesis y describe una nueva ruta que los organismos antiguos pueden haber tomado para desarrollar la gran variedad de RC fotosintéticos que se ven hoy en día en bacterias, algas y plantas. El estudio se publicará a finales de este verano en un número especial dedicado a los centros de reacción fotoquímica.
La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas, las algas y algunas bacterias utilizan la energía del sol para impulsar su metabolismo. Las plantas y las algas utilizan esta energía luminosa para producir azúcares a partir del agua y el dióxido de carbono, liberando el oxígeno que respiramos.las bacterias llevan a cabo una forma más simple de fotosíntesis que no produce oxígeno y se cree que fueron las primeras en evolucionar.
Los motores moleculares de todos los organismos fotosintéticos que convierten la energía luminosa en energía química se denominan centros de reacción fotoquímica. Los RC son proteínas que contienen clorofila que se encuentran en la membrana celular. Su primera aparición y posterior diversificación ha permitido que la fotosíntesis alimente la biosfera durante más de 3 años.mil millones de años, en el proceso de apoyo a la evolución de formas de vida más complejas.
Hay dos tipos de RC que existen en la actualidad: los RC de tipo I apoyan el metabolismo al mover electrones a proteínas solubles, mientras que los RC de tipo II mueven electrones a moléculas asociadas a la membrana. Sin embargo, en el laboratorio del profesor Kevin Redding se han ido acumulando pruebas de queel RC de las heliobacterias puede realizar ambas funciones, lo que lo convierte en un híbrido funcional de los dos tipos de RC.
Se cree que el RC heliobacteriano es uno de los RC más simples que existen en la actualidad. Es homodimérico, lo que significa que su núcleo está compuesto por dos copias de la misma proteína. Esto contrasta con los dos RC de organismos productores de oxígeno como las plantasel núcleo es heterodimérico, y su núcleo está compuesto por dos proteínas similares, pero no idénticas.
Se cree que el RC surgió solo una vez durante la historia de la Tierra, y que todos los RC de hoy en día están relacionados lejanamente con ese ancestro original. Con el tiempo, estos RC han cambiado para realizar diferentes químicas. Mientras que las secuencias de aminoácidos han cambiado unEn gran medida, sorprendentemente, la estructura general de los RC se ha mantenido similar. El equipo cree que el centro de reacción ancestral ARC era más simple que las versiones que existen en la actualidad. Este ARC probablemente era homodimérico e interactuaba con moléculas en la membrana, como el modernoRC de tipo II y RC de heliobacterias, en lugar de con proteínas solubles.
Es muy difícil reconstruir estos pasos evolutivos, que tardaron más de 3000 millones de años en ocurrir. Una forma en que esto se hace generalmente es comparar las secuencias de aminoácidos de las proteínas y anotar el número de diferencias entre ellas, asumiendo quemás similitud significa que están más estrechamente relacionados. Sin embargo, en su estudio, el equipo advierte que no debe depender mucho de este método para los RC. Las diferencias de secuencia son demasiado numerosas y ha pasado demasiado tiempo para obtener información confiable de este método.
En cambio, compararon las posiciones de los elementos estructurales de las proteínas y las clorofilas dentro de los CR. En esencia, se centraron más en la estructura y función de los CR para reconstruir la historia evolutiva, comenzando por hacer predicciones sobre la estructura y función del ARC.
superposición estructural
El equipo imagina que el ARC, en su forma más simple, probablemente era bastante ineficiente en su química. Su trabajo consistía en utilizar la energía de la luz solar para proporcionar dos electrones a una molécula asociada a la membrana llamada quinona. Sin embargo, el ARC probablementepodría unir libremente dos moléculas de quinona, una a cada lado del núcleo. Con dos quinonas de aspecto idéntico, el ARC no pudo priorizar qué quinona obtendría electrones, por lo que era menos probable que cualquiera de las dos obtuviera las dos que necesitaba.
Este problema se resolvió de dos maneras diferentes. En el linaje que condujo a los modernos RC Tipo II, el núcleo cambió de homodimérico a heterodimérico, lo que permitió al RC priorizar a qué quinona le dio electrones, acelerando la química.linaje que llevó a los modernos RC Tipo I, el núcleo siguió siendo homodimérico, pero se agregó un grupo de metal para que el primer electrón terminara allí, facilitando su entrega a la quinona que recibió el siguiente electrón.
Una vez que el ARC había adquirido el grupo de metales, convirtiéndose así en el antepasado de todos los RC de Tipo I modernos, ocurrieron más cambios para dirigir aún más los electrones a un aceptor soluble, lo que resultó en la extracción de más energía para el metabolismo de la célula. Estos incluyeron cambios en elposiciones e identidades de los cofactores de clorofila. Gran parte de los cambios posteriores en los CR de Tipo I se debieron a la necesidad de lidiar con la presencia de oxígeno, ya que los intermediarios inestables dentro de los CR pueden reaccionar con el oxígeno para generar moléculas muy dañinas. En la opinióndel equipo de ASU, el RC de heliobacterias conserva claros vestigios de los cambios que llevaron al RC de tipo I temprano y que comprender los detalles finos sobre cómo funcionan los RC modernos permite formular hipótesis informadas sobre cómo evolucionaron.
El equipo incluía a Greg Orf, Christopher Gisriel y Kevin E. Redding. Este trabajo fue financiado por la División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. A través de una subvención DE-SC0010575.
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Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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