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La evolución ha generado complejos moleculares más eficaces para la fotosíntesis en plantas superiores

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La fotosíntesis es un proceso esencial en la captura y almacenamiento de la energía solar en la biosfera. Gracias a este proceso, las plantas absorben de forma neta millones de toneladas de CO2 al año. A nivel molecular, la eficacia de este proceso radica en una serie de complejos multi-proteicos altamente optimizados para la transferencia de electrones, como el Fotosistema I, uno de los sistemas fotoeléctricos más eficientes de la naturaleza, que es capaz de convertir energía solar en energía química prácticamente al 100% de eficacia. Los mecanismos y componentes básicos de la fotosíntesis se han conservado a lo largo de la evolución desde las cianobacterias hasta las plantas superiores, aunque existen diferencias interesantes.

En los organismos fotosintéticos, aparecen dos proteínas que actúan como transportadoras de electrones desde el citocromo f al Fotosistema I: la plastocianina (que contiene cobre) y el citocromo c6 (que contiene hierro). Ambas proteínas son muy diferentes en cuanto a su composición, pero presentan aspectos estructurales y funcionales equivalentes. Mediante el análisis de las estructuras tridimensionales disponibles y la aplicación de modelos computacionales y métodos de Bioinformática Estructural, se han podido identificar detalles importantes de los mecanismos moleculares de la fotosíntesis en diferentes organismos.

En cianobacterias y en muchas algas verdes, las dos proteínas se pueden usar de forma alternativa, en función de las condiciones del medio. Sin embargo, las plantas superiores (linaje verde) solo tienen plastocianina, que forma complejos fuertes y eficaces para la transferencia de electrones. Por otro lado, las especies del linaje rojo, como algas rojas y diatomeas, solo tienen citocromo c6, que forma complejos más débiles y menos eficaces para la transferencia de electrones. Curiosamente, en diatomeas oceánicas se han encontrado genes de plastocianina, que forman complejos menos eficaces para la transferencia de electrones.

En este trabajo han participado los investigadores Juan Fernández Recio y Luis Angel Rodríguez Lumbreras del grupo de Bioinformática Estructural (3DBIOwine) del Instituto de Ciencias de la Vid y del Vino, en colaboración con investigadores del grupo de Biotecnología de Organismos Fotosintéticos en Condiciones de Estress del Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis (IBVF) de Sevilla.

Los resultados se han publicado en el siguiente artículo:

Castell, C., Rodríguez-Lumbreras, L.A., Hervás, M., Fernández-Recio, J., José A Navarro, J.A. (2021) New Insights into the Evolution of the Electron Transfer from Cytochrome f to Photosystem I in the Green and Red Branches of Photosynthetic Eukaryotes. Plant and Cell Physiology, 62, 1082–1093.

https://doi.org/10.1093/pcp/pcab044