El cloroplasto y el fotosistema II

Plantas y cianobacterias · modelo 3D

El cloroplasto es el compartimento de la célula vegetal donde la luz se convierte en energía química, y el fotosistema II es la máquina de su interior que rompe el agua. De esa rotura sale el oxígeno, y también los electrones y los protones que acaban fabricando ATP.

En una frase

El cloroplasto es un compartimento de la célula vegetal lleno de sacos de membrana donde el fotosistema II usa la luz para romper el agua, soltar oxígeno y poner en marcha la fabricación de ATP.

Qué vas a aprender

Situar en el cloroplasto los tilacoides, el lumen y el estroma.
Explicar de dónde sale el oxígeno y por qué hacen falta cuatro pasos para cada molécula.
Seguir a los electrones y a los protones desde el agua hasta el ATP.
Decir por qué lo aprendido en cianobacterias sirve para las plantas.

Cómo funciona

Del grupo que rompe el agua a una grana

Tamaños aproximados. Grupo, b6f y fotosistema II se calcularon sobre la posición publicada de sus átomos; el grupo es de cianobacteria, los otros dos de espinaca. La grana es de lechuga.^{5, 6, 8, 9, 12, 20}

En una hoja de Arabidopsis, una planta pequeña muy usada en laboratorio, cada célula lleva de media 121 cloroplastos. Cada uno está envuelto por dos membranas. Dentro hay muchos sacos aplanados de membrana, los tilacoides. El agua del interior de cada saco se llama lumen. El líquido que rodea los sacos se llama estroma, y en él se fija el CO2.

Los tilacoides se apilan en columnas. En la lechuga sin luz, una pila mide unas 280 millonésimas de milímetro de ancho. Según una cuenta propia, en ese ancho caben unos diez fotosistemas como el que se describe a continuación.^{1, 2, 5, 6, 8}

La luz se capta en la membrana de los tilacoides. Allí hay grandes complejos de proteínas y pigmentos verdes, llamados fotosistemas. El fotosistema II tiene una antena, una franja de pigmentos que recoge la luz. La antena pasa esa energía al centro del complejo. Allí la energía arranca un electrón, una partícula con carga negativa. El hueco que deja se rellena con electrones sacados del agua.

El agua se rompe en la cara del lumen. De esa rotura quedan oxígeno, electrones y protones. Un protón es un núcleo de hidrógeno, con carga positiva. Los protones van al lumen. El oxígeno queda como resto.^{2, 7, 10, 11}

Del reposo al oxígeno, destello a destello

Sin luz: estado 1 El grupo descansa en su estado más estable, no en el 0.
Primer destello: estado 2 Pierde un electrón. Todavía no sale oxígeno.
Segundo destello: estado 3 Pierde otro electrón. Tampoco sale oxígeno.
Tercer destello: del 4 al 0 Con cuatro electrones quitados a dos moléculas de agua, suelta una de oxígeno.
Cuarto destello: estado 1 El grupo vuelve al punto de partida y el ciclo sigue.
Y vuelta al primer paso

Un solo fotosistema; en una muestra no todos avanzan con cada destello. El estado 4 dura tan poco que aún no se ha capturado.^{4, 10, 11, 18}

El agua se rompe en un grupo diminuto de cuatro átomos de manganeso y uno de calcio. Cada partícula de luz que aprovecha el centro del fotosistema le quita un solo electrón. Para formar una molécula de oxígeno hay que quitar cuatro electrones a dos moléculas de agua. Por eso el grupo da cuatro pasos antes de soltar el oxígeno. Mientras, según el modelo, va soltando protones al lumen. Esa secuencia se llama ciclo de Kok.

Los estados del grupo se numeran del 0 al 4. El grupo empieza en el 0, avanza uno por paso y suelta el oxígeno al llegar al 4. Luego vuelve al 0. Sin luz, el grupo no se queda en el 0, sino en el 1, que es su estado más estable. Desde el 1 solo le faltan tres pasos, así que el oxígeno sale con el tercer destello.

Ejemplo: una muestra pasa un rato sin luz y luego recibe destellos muy cortos. El primero y el segundo no dan oxígeno; el tercero da un pico, y el siguiente llega con el séptimo. Los picos se van aplanando, porque no todos los fotosistemas avanzan con cada destello.^{3, 4, 10, 11, 18}

Los electrones siguen una cadena. Primero los recoge una molécula pequeña que viaja por dentro de la membrana hasta el citocromo b6f, otro complejo. El b6f es el paso más lento de la cadena y mete más protones en el lumen. Después, una proteína pequeña cruza el lumen con cada electrón hasta un segundo fotosistema, el fotosistema I, que también capta luz.^{4, 12, 13, 14}

En cristales de cianobacteria con luz de sobra, cada fotosistema II suelta unas 20 moléculas de oxígeno por segundo, según un cálculo propio. En hojas de 37 especies del tipo de planta más común, con CO2 de sobra, cada molécula de oxígeno costó de media unas 9,4 partículas de luz absorbidas. También es cálculo propio. Son más de cuatro sobre todo porque la luz que absorbe la hoja no va solo al fotosistema II: el fotosistema I también la capta.^{11, 19}

Con tantos protones, el lumen se vuelve ácido. Esos protones solo pueden volver al estroma por un camino: la sintasa de ATP. El ATP es la molécula con que la célula guarda energía para gastarla después.

Al cruzar la sintasa, los protones hacen girar un anillo de su base. Cada vuelta fabrica tres ATP en la cabeza, que mira al estroma. La mitocondria tiene una sintasa parecida, pero acumula los protones en el lado contrario; su modelo 3D lo muestra.^{2, 15}

Cómo se sabe

La forma atómica del fotosistema II se conoce por cristalografía: se fabrican cristales del complejo, se iluminan con rayos X y el dibujo que dejan los rayos al rebotar en los átomos dice dónde está cada uno. Así se situaron los cinco metales del grupo que rompe el agua. Los cristales eran de Thermosynechococcus, una cianobacteria de aguas calientes.^{3, 9, 21}

El ciclo de Kok se descubrió con destellos de luz. En 1969, Joliot vio que el oxígeno salía a ritmo de cuatro destellos, y Kok propuso al año siguiente los pasos del ciclo. Hoy cada estado estable se registra con un láser de rayos X de pulsos cortísimos. Los cristales se miran sin iluminar o tras uno, dos o tres destellos, y otro aparato mide el oxígeno que sueltan.^{4, 11, 18}

Los complejos de la planta se estudiaron en espinaca: se separan, se congelan y un microscopio electrónico combina miles de imágenes en una forma tridimensional. El núcleo del fotosistema II es parecido en la cianobacteria y en la planta, que lo rodea de sus propias antenas. Por eso el detalle de una sirve para la otra.^{7, 8, 9, 12}

Lo que sigue abierto

Sólido El cloroplasto procede de una sola cianobacteria englobada por otra célula.¹⁶
Indicios Su pariente más cercano entre las cianobacterias que se cultivan sería Gloeomargarita. Un análisis amplio lo apoya con fuerza, aunque antes se discutió.¹⁶
Abierto Qué dos átomos de oxígeno del grupo se unen para formar la molécula aún no se sabe. Hay una pareja más probable, otras sin descartar y discrepancia entre laboratorios.^{4, 11}
Indicios El último estado del ciclo dura tan poco que no se ha capturado. Entre la unión de los dos oxígenos y la salida de la molécula hay un retraso, quizá por un paso intermedio aún no visto.¹¹
Indicios Con luz, el lumen se ensancharía según la microscopía de hojas, pero otras medidas no lo detectan.⁵

Lo que se suele confundir

Se suele pensarEl oxígeno que sueltan las plantas sale del CO2.

En realidadSale del agua. El fotosistema II quita electrones a dos moléculas de agua, y queda una molécula de oxígeno.^{10, 21}

Se suele pensarCada partícula de luz que llega libera una molécula de oxígeno.

En realidadCada partícula de luz que aprovecha el fotosistema hace avanzar el grupo un solo paso. Hacen falta cuatro pasos para soltar una molécula de oxígeno.^{4, 10}

Se suele pensarEl cloroplasto es una pieza que inventaron las plantas.

En realidadProcede de una cianobacteria que otra célula englobó, y por eso conserva tilacoides y un fotosistema II parecido.^{7, 16}

Conceptos clave

Tilacoide: Saco aplanado de membrana dentro del cloroplasto. En las plantas, los tilacoides se apilan en columnas llamadas granas.
Lumen y estroma: El lumen es el agua del interior de cada tilacoide. El estroma es el líquido que rodea los tilacoides dentro del cloroplasto.
Fotosistema II: Complejo de proteínas y pigmentos de la membrana del tilacoide. Recoge luz y la usa para quitar electrones al agua.
Ciclo de Kok: Los cuatro pasos del grupo de manganeso y calcio, uno por cada partícula de luz aprovechada, antes de soltar una molécula de oxígeno.
Sintasa de ATP: Máquina de la membrana que fabrica ATP cuando la cruzan los protones acumulados en el lumen.
Cianobacteria: Bacteria que capta la luz con tilacoides y fotosistema II. El cloroplasto procede de una de ellas.

Actividad de repaso

¿De dónde sale el oxígeno que suelta una hoja?

El oxígeno sale del agua. El fotosistema II quita cuatro electrones a dos moléculas de agua y suelta una molécula de oxígeno.

¿Por qué, tras un rato sin luz, el oxígeno sale con el tercer destello?

Porque sin luz el grupo de manganeso y calcio se queda en el estado 1, no en el 0. Desde ahí solo le faltan tres pasos para soltar el oxígeno.

¿Dónde se acumulan los protones y para qué sirven?

Los protones se acumulan en el lumen. Al salir por la sintasa hacia el estroma, hacen girar su anillo y la sintasa fabrica ATP.

¿Por qué sirve una cianobacteria para estudiar el fotosistema II de las plantas?

Porque el cloroplasto procede de una cianobacteria, y el núcleo de su fotosistema II se parece al de la planta.

Para recordar

El cloroplasto está lleno de tilacoides, sacos de membrana que separan el lumen, dentro, del estroma, fuera.
El fotosistema II rompe el agua con la energía de la luz, y necesita cuatro pasos para soltar cada molécula de oxígeno.
Los protones que se acumulan en el lumen salen por la sintasa de ATP, y su paso fabrica ATP.

Cómo está hecho este modelo

Cada pieza del modelo se ha contrastado con las fuentes. Aquí constan su valor y lo que se ha simplificado.

Pieza	Valor	Simplificación	Fuente
Célula del mesófilo	121 cloroplastos de media por célula en Arabidopsis silvestre; el tamaño de la célula no consta en las fuentes	Cápsula de diseño de 55 × 21 µm con una vacuola central. Pared y membrana van como una sola superficie. Se dibujan los 121 cloroplastos, repartidos al azar por la cara interna	¹
Cloroplasto	Tamaño absoluto del cloroplasto de planta: no consta en las fuentes leídas	Lente de diseño de 5.000 × 2.500 nm, pegada a la pared. Valor esquemático, no medido	¹
Envoltura doble	Dos membranas con un espacio entre ellas; la interna forma invaginaciones. El grosor no consta	Dos superficies separadas 15 nm (membranas de 5 nm y 10 nm de hueco, valores de diseño). Sin invaginaciones. Solo se dibuja la mitad de atrás: así queda abierta	²
Estroma y RuBisCO	RuBisCO de 10,5 a 13 nm según la orientación (medida en el alga); en plantas, repartida por el estroma	1.500 esferas de 12 nm alrededor de la grana principal, solo detrás del corte. La densidad es de diseño. Vista desde lejos, la RuBisCO es un punteado sin escala	²
Grana principal	Unos 280 nm de diámetro y 160 de alto, con 9 discos de media (lechuga). Repetición de apilado de 17,0 nm en oscuridad y 20,0 con luz (Arabidopsis), 15,7 en espinaca y guisante; lumen de 4,5 nm (espinaca y guisante)	Mezcla especies: diámetro de lechuga, apilado de Arabidopsis y lumen de espinaca y guisante (9 × 17 = 153 nm de alto). Membrana de 4,5 nm, entre los 4,0 que salen de F9 y los 4,8-5,1 de F12. Hueco estromal de 3,5 nm. El paso de oscuridad a luz (repetición de 20 nm, lumen 3,5 nm más ancho, hueco 0,5 nm más estrecho; 0,6 en F12, la diferencia sale de la mezcla de especies) se anima solo, en un vaivén de 10 s; no hay interruptor	^{5, 6, 22}
Granas vecinas	Decenas por cloroplasto, de 3 a 19 discos (media 9); el número exacto no consta	Hasta 79 granas vecinas de diseño, colocadas al azar donde caben. Cada disco es un cilindro liso, sin lumen a la vista; los discos alternan dos tonos de coral para que la pila se lea disco a disco, porque de lejos el hueco de 3,5 nm no se ve	⁶
Lamelas en hélice	De 4 a 6 hélices dextrógiras por grana, separadas unos 46 nm e inclinadas unos 16°; se unen a los discos por ranuras de unos 80 nm	6 cintas dextrógiras de 55 nm de ancho (de 150 a 205 nm del eje), con 16° medidos en el borde interior y 45 nm entre una y la siguiente. Comprobado sobre la fórmula del dibujo (x = r sen t, z = r cos t, y = 43·t): la torsión sale positiva, dextrógira. Sin las uniones levógiras ni los pozos de 50 nm. Las cintas se cortan donde sale la lamela plana del disco 4	⁶
Lamelas planas	Láminas planas y anchas que unen las granas	Tablas translúcidas de 40 a 60 nm de ancho, más estrechas que las reales, entre cada grana y sus dos vecinas más próximas, para que no tapen las pilas	^{5, 6}
Lamela del fotosistema I y de la sintasa	Las lamelas se abren a los discos por ranuras de unos 80 nm de longitud máxima media	Una lamela plana sale del disco 4 por una ranura de 80 nm y sigue en el mismo plano. En la planta llega a través de las hélices	⁶
Lumen	4,5 nm en granas de espinaca y guisante a oscuras; en Arabidopsis gana unos 3,5 nm con luz, algo que se discute	Se rellena de un azul verdoso translúcido para que se vea. Mide 4,5 nm, sin exagerar; el rótulo dice «4,5 nm a oscuras». En la parada de la grana, el vaivén de 10 s muestra el ensanchamiento discutido, de 4,5 a 8 nm	^{5, 22}
Supercomplejo PSII-LHCII (espinaca)	Unos 26 × 17 × 11 nm y 1,1 MDa	Un carbono alfa por cuenta de 3JCU (7.648 cuentas de 0,42 nm de radio), no la superficie molecular. En nuestro dibujo mide 25,7 × 15,9 nm en el plano y 10,6 de alto. Sale 1,8 nm al estroma y 4,3 nm al lumen. Hay una sola copia detallada	^{7, 8}
Copias del supercomplejo	Muchas por disco y a veces en filas, cara a cara con las de la membrana vecina; la densidad no consta. El saliente al lumen, de unos 4,5 nm, no cabe de frente en un lumen de 4,5 nm	72 copias (39 arriba y 33 abajo) simplificadas, de 90 bolas cada una (vóxeles de 3,6 nm sobre 3JCU), en filas de 28 × 21 nm. Solo están en el disco 4 y detrás del corte. Las de la membrana de abajo van desplazadas 14 y 10,5 nm, intercaladas. Comprobado: sus bolas del lumen quedan a 0,5 nm de holgura, sin chocar	^{2, 17, 22}
Antena LHCII	Por cada mitad del núcleo, un trímero mayor y dos monómeros menores (CP29 y CP26)	Son las cadenas G, N, Y, R y S de 3JCU. La proteína de la antena va en verde jade y el núcleo en verde claro	^{7, 8}
Clorofilas	105 por monómero en el supercomplejo de espinaca; 35 por monómero en el núcleo de cianobacteria	Las 206 que trae el modelo 3JCU y las 70 de 3WU2, como discos de 1 nm orientados según su anillo. Van en verde oscuro, distinto del de la proteína	^{7, 9}
Núcleo del fotosistema II (cianobacteria, 3WU2)	Unos 20,6 × 11,7 nm en el plano y 11,2 de alto; Thermosynechococcus vulcanus	Traza de carbonos alfa semitransparente (5.235 residuos), superpuesta al núcleo de espinaca por 3.202 Cα de D1, D2, CP43 y CP47, con un RMSD de 0,10 nm. En nuestro dibujo mide 20,2 × 11,6 nm en el plano y 10,7 de alto. Sustituye al de espinaca al acercarse y lleva el rótulo «Núcleo de cianobacteria». En la vista del Mn4CaO5 la traza va muy atenuada, y adelgazan hasta desaparecer los residuos entre la cámara y el grupo y los que quedan a menos de 1 nm de él de lado (y las clorofilas a menos de 2,2 nm)	^{3, 9}
Hélices transmembrana	Hélices alfa, dextrógiras	Comprobado sobre las coordenadas del dibujo, después de pasarlas a nanómetros y de todos los giros (sin espejos, determinante +1). El diedro de cuatro Cα seguidos dentro de la membrana sale de +30° a +70°, dextrógiro, en 5.617 de 7.266 tramos; de −70° a −30° solo en 65. Una hélice α ideal dextrógira da +50°	^{8, 9, 20, 23}
Grupo Mn4CaO5	Mn–Mn de 0,29 a 0,33 nm en el cubo; Mn4 a 0,30 nm de Mn3 y a 0,50-0,54 de Mn1 y Mn2; a 4,4 nm del hierro; cuatro aguas unidas	Coordenadas de 3WU2 a escala real, sin aumentar: la cámara se acerca a 3 nm. Medido en el dibujo: Mn1–Mn2 0,287; Mn2–Mn3 0,288; Mn1–Mn3 0,328; Mn3–Mn4 0,297; Mn1–Mn4 0,499; Mn2–Mn4 0,544 nm; a 4,45 nm del hierro. Bolas de 0,06 a 0,085 nm de radio, menores que los átomos. Las cuatro aguas son las de 3WU2 a menos de 0,26 nm de Mn4 y del calcio, sin sus hidrógenos	^{3, 9}
Ciclo de Kok	S0→S1→S2→S3→(S4)→S0, un paso por fotón; a partir de S1, estable en oscuridad, el O2 sale con el tercer destello. Dos aguas, cuatro protones y una O2 por vuelta. En S2→S3 entra Ox entre el calcio y Mn1, y Mn1 y Mn4 se separan unos 0,02 nm	Un paso cada 3 s; en cristales, el ciclo entero dura unos 45 ms con luz saturante, según cuenta propia (1/21,7 O2 por segundo). Protones por paso 1, 0, 1 y 2: patrón esquemático del modelo de salida alterna; las fuentes leídas solo confirman los dos de S3→S0, uno antes del enlace O–O y otro tras reponer el agua. En la escena, el primero de S3→S0 sale al destello (6,0 s), antes del rótulo S4 y del enlace O–O (6,2 s). Ox va en una posición esquemática. La separación de Mn1 y Mn4 se dibuja de 0,1 nm, cinco veces mayor. El enlace O–O se forma entre O5 y Ox, la opción más compatible. S4 lleva el rótulo de propuesto. Las vías de entrada del agua y de salida del O2 y de los protones son esquemáticas. Todos los destellos hacen avanzar el ciclo: no se dibuja el 22 % de fallos	^{4, 10, 11, 18}
Destello y energía de la luz	La energía pasa de la antena al centro de reacción; el P680 oxidado toma un electrón de la tirosina Yz	Un punto de luz recorre cinco clorofilas, de la antena al par central, en 2,6 s. La velocidad real no consta y es muchísimo mayor. El destello del ciclo se dibuja sobre el par de clorofilas centrales de 3WU2	^{7, 11}
Plastoquinona	Sale del sitio QB y viaja por la bicapa hasta el b6f; su tamaño no consta	Bastón de 2,2 nm con cabeza, de diseño. Una va al b6f en 4,5 s y vuelve, en ciclos de 9 s; otras ocho esperan en la membrana. El sitio QB se toma de 3WU2 superpuesto	^{4, 12}
Citocromo b6f	Dímero de unos 12,5 × 10,9 × 8,3 nm; más abundante en los márgenes de la grana; bombea protones al lumen	Cα de 6RQF (1.944 cuentas). En nuestro dibujo mide 11,2 × 10,0 nm en el plano y 10,2 de alto: sale 4,2 nm al lumen y 1,5 al estroma. Hay una sola copia, en el margen del disco 4. El ciclo Q no se detalla: solo se ven protones que salen al lumen	^{12, 17, 20}
Plastocianina	Unos 4 × 3 × 3 nm; cruza el lumen del b6f al fotosistema I	Dos elipsoides de 4 × 3 × 3 nm que tardan 6 s en cada viaje, a velocidad simbólica	^{5, 12}
Fotosistema I	En las lamelas, separado del fotosistema II; medidas y número no constan	Bloque genérico de unos 25 × 9 × 13 nm, sin estructura	^{12, 14}
Sintasa de ATP	Unos 22,5 nm de largo; anillo de 14 subunidades c; tres paradas del rotor separadas 103, 112 y 145°; solo en lamelas y discos de los extremos; los protones van del lumen al estroma	Cα de 6FKF (5.198 cuentas). En nuestro dibujo mide 21,6 nm de alto y el anillo tiene 2,2 nm de radio medio. El rotor gira a saltos de 103, 112 y 145°, uno cada 4 s, a velocidad simbólica. El orden de los saltos es supuesto: F18 da los tres ángulos, como posiciones de reposo, pero no su orden. Gira en sentido de síntesis, antihorario visto desde el estroma (la hidrólisis va al revés), como la sintasa de la mitocondria de BeI. Hay una sola copia, sin la densidad real (20 % de la superficie donde está). No se dibuja el ATP	^{15, 22, 23, 24}
Protones	Cuatro al lumen por cada O2; el b6f bombea más; salen del lumen al estroma por la sintasa	Junto al grupo de manganeso, bolas de 0,07 nm; en el resto, de 0,25 a 1,5 nm según la distancia de la cámara, mucho más grandes que un protón real. Los del b6f y del PSII bajan hasta el centro del lumen. El número en el lumen es de diseño	^{2, 10, 12, 15}
Agua y O2	Por ciclo, entran dos aguas y sale una O2	Moléculas a escala atómica. Los hidrógenos del agua que entra son esquemáticos	^{10, 11}
Cianobacteria libre	El cloroplasto viene de una sola cianobacteria; su pariente cultivado más cercano sería Gloeomargarita lithophora (apoyo fuerte)	Bastón genérico de 3,8 × 1,5 µm con cuatro tilacoides concéntricos, fuera de la célula y al lado del cloroplasto, solo para comparar. No es Gloeomargarita y su tamaño es de diseño. El fotosistema II no se ve a esa escala	¹⁶

Célula del mesófilo

Valor: 121 cloroplastos de media por célula en Arabidopsis silvestre; el tamaño de la célula no consta en las fuentes¹
Simplificación: Cápsula de diseño de 55 × 21 µm con una vacuola central. Pared y membrana van como una sola superficie. Se dibujan los 121 cloroplastos, repartidos al azar por la cara interna

Cloroplasto

Valor: Tamaño absoluto del cloroplasto de planta: no consta en las fuentes leídas¹
Simplificación: Lente de diseño de 5.000 × 2.500 nm, pegada a la pared. Valor esquemático, no medido

Envoltura doble

Valor: Dos membranas con un espacio entre ellas; la interna forma invaginaciones. El grosor no consta²
Simplificación: Dos superficies separadas 15 nm (membranas de 5 nm y 10 nm de hueco, valores de diseño). Sin invaginaciones. Solo se dibuja la mitad de atrás: así queda abierta

Estroma y RuBisCO

Valor: RuBisCO de 10,5 a 13 nm según la orientación (medida en el alga); en plantas, repartida por el estroma²
Simplificación: 1.500 esferas de 12 nm alrededor de la grana principal, solo detrás del corte. La densidad es de diseño. Vista desde lejos, la RuBisCO es un punteado sin escala

Grana principal

Valor: Unos 280 nm de diámetro y 160 de alto, con 9 discos de media (lechuga). Repetición de apilado de 17,0 nm en oscuridad y 20,0 con luz (Arabidopsis), 15,7 en espinaca y guisante; lumen de 4,5 nm (espinaca y guisante)^{5, 6, 22}
Simplificación: Mezcla especies: diámetro de lechuga, apilado de Arabidopsis y lumen de espinaca y guisante (9 × 17 = 153 nm de alto). Membrana de 4,5 nm, entre los 4,0 que salen de F9 y los 4,8-5,1 de F12. Hueco estromal de 3,5 nm. El paso de oscuridad a luz (repetición de 20 nm, lumen 3,5 nm más ancho, hueco 0,5 nm más estrecho; 0,6 en F12, la diferencia sale de la mezcla de especies) se anima solo, en un vaivén de 10 s; no hay interruptor

Granas vecinas

Valor: Decenas por cloroplasto, de 3 a 19 discos (media 9); el número exacto no consta⁶
Simplificación: Hasta 79 granas vecinas de diseño, colocadas al azar donde caben. Cada disco es un cilindro liso, sin lumen a la vista; los discos alternan dos tonos de coral para que la pila se lea disco a disco, porque de lejos el hueco de 3,5 nm no se ve

Lamelas en hélice

Valor: De 4 a 6 hélices dextrógiras por grana, separadas unos 46 nm e inclinadas unos 16°; se unen a los discos por ranuras de unos 80 nm⁶
Simplificación: 6 cintas dextrógiras de 55 nm de ancho (de 150 a 205 nm del eje), con 16° medidos en el borde interior y 45 nm entre una y la siguiente. Comprobado sobre la fórmula del dibujo (x = r sen t, z = r cos t, y = 43·t): la torsión sale positiva, dextrógira. Sin las uniones levógiras ni los pozos de 50 nm. Las cintas se cortan donde sale la lamela plana del disco 4

Lamelas planas

Valor: Láminas planas y anchas que unen las granas^{5, 6}
Simplificación: Tablas translúcidas de 40 a 60 nm de ancho, más estrechas que las reales, entre cada grana y sus dos vecinas más próximas, para que no tapen las pilas

Lamela del fotosistema I y de la sintasa

Valor: Las lamelas se abren a los discos por ranuras de unos 80 nm de longitud máxima media⁶
Simplificación: Una lamela plana sale del disco 4 por una ranura de 80 nm y sigue en el mismo plano. En la planta llega a través de las hélices

Lumen

Valor: 4,5 nm en granas de espinaca y guisante a oscuras; en Arabidopsis gana unos 3,5 nm con luz, algo que se discute^{5, 22}
Simplificación: Se rellena de un azul verdoso translúcido para que se vea. Mide 4,5 nm, sin exagerar; el rótulo dice «4,5 nm a oscuras». En la parada de la grana, el vaivén de 10 s muestra el ensanchamiento discutido, de 4,5 a 8 nm

Supercomplejo PSII-LHCII (espinaca)

Valor: Unos 26 × 17 × 11 nm y 1,1 MDa^{7, 8}
Simplificación: Un carbono alfa por cuenta de 3JCU (7.648 cuentas de 0,42 nm de radio), no la superficie molecular. En nuestro dibujo mide 25,7 × 15,9 nm en el plano y 10,6 de alto. Sale 1,8 nm al estroma y 4,3 nm al lumen. Hay una sola copia detallada

Copias del supercomplejo

Valor: Muchas por disco y a veces en filas, cara a cara con las de la membrana vecina; la densidad no consta. El saliente al lumen, de unos 4,5 nm, no cabe de frente en un lumen de 4,5 nm^{2, 17, 22}
Simplificación: 72 copias (39 arriba y 33 abajo) simplificadas, de 90 bolas cada una (vóxeles de 3,6 nm sobre 3JCU), en filas de 28 × 21 nm. Solo están en el disco 4 y detrás del corte. Las de la membrana de abajo van desplazadas 14 y 10,5 nm, intercaladas. Comprobado: sus bolas del lumen quedan a 0,5 nm de holgura, sin chocar

Antena LHCII

Valor: Por cada mitad del núcleo, un trímero mayor y dos monómeros menores (CP29 y CP26)^{7, 8}
Simplificación: Son las cadenas G, N, Y, R y S de 3JCU. La proteína de la antena va en verde jade y el núcleo en verde claro

Clorofilas

Valor: 105 por monómero en el supercomplejo de espinaca; 35 por monómero en el núcleo de cianobacteria^{7, 9}
Simplificación: Las 206 que trae el modelo 3JCU y las 70 de 3WU2, como discos de 1 nm orientados según su anillo. Van en verde oscuro, distinto del de la proteína

Núcleo del fotosistema II (cianobacteria, 3WU2)

Valor: Unos 20,6 × 11,7 nm en el plano y 11,2 de alto; Thermosynechococcus vulcanus^{3, 9}
Simplificación: Traza de carbonos alfa semitransparente (5.235 residuos), superpuesta al núcleo de espinaca por 3.202 Cα de D1, D2, CP43 y CP47, con un RMSD de 0,10 nm. En nuestro dibujo mide 20,2 × 11,6 nm en el plano y 10,7 de alto. Sustituye al de espinaca al acercarse y lleva el rótulo «Núcleo de cianobacteria». En la vista del Mn4CaO5 la traza va muy atenuada, y adelgazan hasta desaparecer los residuos entre la cámara y el grupo y los que quedan a menos de 1 nm de él de lado (y las clorofilas a menos de 2,2 nm)

Hélices transmembrana

Valor: Hélices alfa, dextrógiras^{8, 9, 20, 23}
Simplificación: Comprobado sobre las coordenadas del dibujo, después de pasarlas a nanómetros y de todos los giros (sin espejos, determinante +1). El diedro de cuatro Cα seguidos dentro de la membrana sale de +30° a +70°, dextrógiro, en 5.617 de 7.266 tramos; de −70° a −30° solo en 65. Una hélice α ideal dextrógira da +50°

Grupo Mn4CaO5

Valor: Mn–Mn de 0,29 a 0,33 nm en el cubo; Mn4 a 0,30 nm de Mn3 y a 0,50-0,54 de Mn1 y Mn2; a 4,4 nm del hierro; cuatro aguas unidas^{3, 9}
Simplificación: Coordenadas de 3WU2 a escala real, sin aumentar: la cámara se acerca a 3 nm. Medido en el dibujo: Mn1–Mn2 0,287; Mn2–Mn3 0,288; Mn1–Mn3 0,328; Mn3–Mn4 0,297; Mn1–Mn4 0,499; Mn2–Mn4 0,544 nm; a 4,45 nm del hierro. Bolas de 0,06 a 0,085 nm de radio, menores que los átomos. Las cuatro aguas son las de 3WU2 a menos de 0,26 nm de Mn4 y del calcio, sin sus hidrógenos

Ciclo de Kok

Valor: S0→S1→S2→S3→(S4)→S0, un paso por fotón; a partir de S1, estable en oscuridad, el O2 sale con el tercer destello. Dos aguas, cuatro protones y una O2 por vuelta. En S2→S3 entra Ox entre el calcio y Mn1, y Mn1 y Mn4 se separan unos 0,02 nm^{4, 10, 11, 18}
Simplificación: Un paso cada 3 s; en cristales, el ciclo entero dura unos 45 ms con luz saturante, según cuenta propia (1/21,7 O2 por segundo). Protones por paso 1, 0, 1 y 2: patrón esquemático del modelo de salida alterna; las fuentes leídas solo confirman los dos de S3→S0, uno antes del enlace O–O y otro tras reponer el agua. En la escena, el primero de S3→S0 sale al destello (6,0 s), antes del rótulo S4 y del enlace O–O (6,2 s). Ox va en una posición esquemática. La separación de Mn1 y Mn4 se dibuja de 0,1 nm, cinco veces mayor. El enlace O–O se forma entre O5 y Ox, la opción más compatible. S4 lleva el rótulo de propuesto. Las vías de entrada del agua y de salida del O2 y de los protones son esquemáticas. Todos los destellos hacen avanzar el ciclo: no se dibuja el 22 % de fallos

Destello y energía de la luz

Valor: La energía pasa de la antena al centro de reacción; el P680 oxidado toma un electrón de la tirosina Yz^{7, 11}
Simplificación: Un punto de luz recorre cinco clorofilas, de la antena al par central, en 2,6 s. La velocidad real no consta y es muchísimo mayor. El destello del ciclo se dibuja sobre el par de clorofilas centrales de 3WU2

Plastoquinona

Valor: Sale del sitio QB y viaja por la bicapa hasta el b6f; su tamaño no consta^{4, 12}
Simplificación: Bastón de 2,2 nm con cabeza, de diseño. Una va al b6f en 4,5 s y vuelve, en ciclos de 9 s; otras ocho esperan en la membrana. El sitio QB se toma de 3WU2 superpuesto

Citocromo b6f

Valor: Dímero de unos 12,5 × 10,9 × 8,3 nm; más abundante en los márgenes de la grana; bombea protones al lumen^{12, 17, 20}
Simplificación: Cα de 6RQF (1.944 cuentas). En nuestro dibujo mide 11,2 × 10,0 nm en el plano y 10,2 de alto: sale 4,2 nm al lumen y 1,5 al estroma. Hay una sola copia, en el margen del disco 4. El ciclo Q no se detalla: solo se ven protones que salen al lumen

Plastocianina

Valor: Unos 4 × 3 × 3 nm; cruza el lumen del b6f al fotosistema I^{5, 12}
Simplificación: Dos elipsoides de 4 × 3 × 3 nm que tardan 6 s en cada viaje, a velocidad simbólica

Fotosistema I

Valor: En las lamelas, separado del fotosistema II; medidas y número no constan^{12, 14}
Simplificación: Bloque genérico de unos 25 × 9 × 13 nm, sin estructura

Sintasa de ATP

Valor: Unos 22,5 nm de largo; anillo de 14 subunidades c; tres paradas del rotor separadas 103, 112 y 145°; solo en lamelas y discos de los extremos; los protones van del lumen al estroma^{15, 22, 23, 24}
Simplificación: Cα de 6FKF (5.198 cuentas). En nuestro dibujo mide 21,6 nm de alto y el anillo tiene 2,2 nm de radio medio. El rotor gira a saltos de 103, 112 y 145°, uno cada 4 s, a velocidad simbólica. El orden de los saltos es supuesto: F18 da los tres ángulos, como posiciones de reposo, pero no su orden. Gira en sentido de síntesis, antihorario visto desde el estroma (la hidrólisis va al revés), como la sintasa de la mitocondria de BeI. Hay una sola copia, sin la densidad real (20 % de la superficie donde está). No se dibuja el ATP

Protones

Valor: Cuatro al lumen por cada O2; el b6f bombea más; salen del lumen al estroma por la sintasa^{2, 10, 12, 15}
Simplificación: Junto al grupo de manganeso, bolas de 0,07 nm; en el resto, de 0,25 a 1,5 nm según la distancia de la cámara, mucho más grandes que un protón real. Los del b6f y del PSII bajan hasta el centro del lumen. El número en el lumen es de diseño

Agua y O2

Valor: Por ciclo, entran dos aguas y sale una O2^{10, 11}
Simplificación: Moléculas a escala atómica. Los hidrógenos del agua que entra son esquemáticos

Cianobacteria libre

Valor: El cloroplasto viene de una sola cianobacteria; su pariente cultivado más cercano sería Gloeomargarita lithophora (apoyo fuerte)¹⁶
Simplificación: Bastón genérico de 3,8 × 1,5 µm con cuatro tilacoides concéntricos, fuera de la célula y al lado del cloroplasto, solo para comparar. No es Gloeomargarita y su tamaño es de diseño. El fotosistema II no se ve a esa escala

Referencias

Pyke KA, Leech RM (1994). A Genetic Analysis of Chloroplast Division and Expansion in Arabidopsis thaliana. Plant Physiology. doi:10.1104/pp.104.1.201 (leído por el resumen)
Engel BD, Schaffer M, Kuhn Cuellar L, Villa E, Plitzko JM, Baumeister W (2015). Native architecture of the Chlamydomonas chloroplast revealed by in situ cryo-electron tomography. eLife. doi:10.7554/eLife.04889
Umena Y, Kawakami K, Shen JR, Kamiya N (2011). Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å. Nature. doi:10.1038/nature09913 (leído por el resumen)
Kern J, Chatterjee R, Young ID, ... Zouni A, Messinger J, Yano J, Yachandra VK (2018). Structures of the intermediates of Kok's photosynthetic water oxidation clock. Nature. doi:10.1038/s41586-018-0681-2
Li M, Mukhopadhyay R, Svoboda V, Oung HMO, Mullendore DL, Kirchhoff H (2020). Measuring the dynamic response of the thylakoid architecture in plant leaves by electron microscopy. Plant Direct. doi:10.1002/pld3.280
Bussi Y, Shimoni E, Weiner A, Kapon R, Charuvi D, Nevo R, Efrati E, Reich Z (2019). Fundamental helical geometry consolidates the plant photosynthetic membrane. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. doi:10.1073/pnas.1905994116
Wei X, Su X, Cao P, Liu X, Chang W, Li M, Zhang X, Liu Z (2016). Structure of spinach photosystem II-LHCII supercomplex at 3.2 Å resolution. Nature. doi:10.1038/nature18020 (leído por el resumen)
Wei X et al. (depósito) (2016). PDB 3JCU: Cryo-EM structure of spinach PSII-LHCII supercomplex at 3.2 Angstrom resolution. Protein Data Bank (RCSB / wwPDB). doi:10.2210/pdb3jcu/pdb
Umena Y, Kawakami K, Shen JR, Kamiya N (depósito) (2014). PDB 3WU2: Crystal structure analysis of Photosystem II complex (1,9 Å; sustituye a 3ARC, retirada). Protein Data Bank (RCSB / wwPDB). doi:10.2210/pdb3wu2/pdb
Dau H, Haumann M (2007). Eight steps preceding O-O bond formation in oxygenic photosynthesis--a basic reaction cycle of the Photosystem II manganese complex. Biochimica et Biophysica Acta. doi:10.1016/j.bbabio.2007.02.022 (leído por el resumen)
Bhowmick A, Hussein R, Bogacz I, ... Kern J, Yano J, Yachandra VK (2023). Structural evidence for intermediates during O2 formation in photosystem II. Nature. doi:10.1038/s41586-023-06038-z
Malone LA, Qian P, Mayneord GE, Hitchcock A, Farmer DA, Thompson RF, Swainsbury DJK, Ranson NA, Hunter CN, Johnson MP (2019). Cryo-EM structure of the spinach cytochrome b6f complex at 3.6 Å resolution. Nature. doi:10.1038/s41586-019-1746-6
Malone LA, Proctor MS, Hitchcock A, Hunter CN, Johnson MP (2021). Cytochrome b6f - Orchestrator of photosynthetic electron transfer. Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics. doi:10.1016/j.bbabio.2021.148380 (leído por el resumen)
Wietrzynski W, Schaffer M, Tegunov D, Albert S, Kanazawa A, Plitzko JM, Baumeister W, Engel BD (2020). Charting the native architecture of Chlamydomonas thylakoid membranes with single-molecule precision. eLife. doi:10.7554/eLife.53740 (leído por el resumen)
Hahn A, Vonck J, Mills DJ, Meier T, Kühlbrandt W (2018). Structure, mechanism, and regulation of the chloroplast ATP synthase. Science. doi:10.1126/science.aat4318
Ponce-Toledo RI, Deschamps P, López-García P, Zivanovic Y, Benzerara K, Moreira D (2017). An Early-Branching Freshwater Cyanobacterium at the Origin of Plastids. Current Biology. doi:10.1016/j.cub.2016.11.056 (leído por el resumen)
Koochak H, Puthiyaveetil S, Mullendore DL, Li M, Kirchhoff H (2019). The structural and functional domains of plant thylakoid membranes. The Plant Journal. doi:10.1111/tpj.14127 (leído por el resumen)
Kok B, Forbush B, McGloin M (1970). Cooperation of charges in photosynthetic O2 evolution-I. A linear four step mechanism. Photochemistry and Photobiology. doi:10.1111/j.1751-1097.1970.tb06017.x (leído por el resumen)
Björkman O, Demmig B (1987). Photon yield of O2 evolution and chlorophyll fluorescence characteristics at 77 K among vascular plants of diverse origins. Planta. doi:10.1007/BF00402983 (leído por el resumen)
Malone LA et al. (depósito) (2019). PDB 6RQF: cryo-EM structure of the dimeric cytochrome b6f complex from Spinacia oleracea. Protein Data Bank (RCSB / wwPDB). doi:10.2210/pdb6rqf/pdb
Shen JR (2015). The Structure of Photosystem II and the Mechanism of Water Oxidation in Photosynthesis. Annual Review of Plant Biology. doi:10.1146/annurev-arplant-050312-120129 (leído por el resumen)
Daum B, Nicastro D, Austin J, McIntosh JR, Kühlbrandt W (2010). Arrangement of photosystem II and ATP synthase in chloroplast membranes of spinach and pea. The Plant Cell. doi:10.1105/tpc.109.071431 (leído por el resumen)
Hahn A et al. (depósito) (2018). PDB 6FKF: Chloroplast F1Fo conformation 1. Protein Data Bank (RCSB / wwPDB). doi:10.2210/pdb6fkf/pdb
Noji H, Yasuda R, Yoshida M, Kinosita K (1997). Direct observation of the rotation of F1-ATPase. Nature. doi:10.1038/386299a0 (leído por el resumen)

Una célula de la hoja

El cloroplasto abierto

Una grana

El fotosistema II

El ciclo de Kok

La cadena de electrones

La sintasa de ATP

El origen

De vuelta a la célula