jueves, 18 de mayo de 2017

2 LOS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS, LUZ Y CLOROPLASTO

2.1 La luz y la fotosíntesis

La radiación electromagnética es una cosa extraña a la cual los físicos describen como onda/partícula, es decir, expone características de onda, como la posesión de longitudes de onda y fenómenos como la reflexión y difracción de las ondas. Como partícula posee la capacidad para transmitir energía en unidades discretas llamadas cuantos. 

Dependiendo de la longitud de onda, la radiación electromagnética interactúa de forma diferencial con la materia, específicamente aquella radiación que está entre los 400 nm y los 700 nm estimula nuestros receptores visuales, y la llamamos luz, y a sus cuantos los llamamos fotones. Independientemente a su naturaleza final, a la luz en esta serie de escritos la manejamos como esa dualidad, en ocasiones la manejamos como una partícula "cuanto mencionamos los cuantos y fotones" y en otras como onda "longitudes de onda medidas en nanómetros nm"

Una mol de fotones con una longitud de onda de 680 nm contiene cerca de 45 kcal de energía, lo cual es equivalente a un cambio de potencial redox de 1.8 voltios. La absorción de luz es el primer paso en cualquier proceso fotoquímico. Cuando el fotón es absorbido por una molécula, uno de sus electrones se estimula para pasar a un estado energético de mayor energía.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

2.2 Electrones excitados

Cada sustancia en la naturaleza puede absorber algunas determinadas longitudes de onda, mientras que otras la refleja como si fuera un espejo, esto genera marcas distintivas de cada sustancia química en forma de los espectros de absorción o de emisión, en términos más físicos, lo que pasa es que los electrones de las moléculas interactúan con fotones de determinadas longitudes de onda, absorbiéndolos y aumentando su estado energético, proceso llamado excitación. 

Los estados excitados de los electrones son muy inestables y tienden a durar solo nanosegundos. Numerosas cosas pueden pasar antes de ese límite de tiempo, una es que el electrón emita el fotón reflejando la luz, pero otra muy diferente ocurre en la clorofila. Cuando la clorofila es sometida a la luz de forma aislada esta refleja los fotones que absorbe tornándose fluorescente, emitiendo los fotones en una longitud de onda inferior a la que la recibió “parte de la energía se pierde en forma de calor”. Sin embargo, si el mismo experimento es llevado a cabo en una cantidad de cloroplastos que contienen la misma cantidad de clorofila, apenas si se nota una muy leve fluorescencia. Es decir en tales casos la energía lumínica no se pierde de nuevo al ambiente, por el contrario es almacenada por el cloroplasto y empleada para realizar sus procesos de síntesis de alimentos.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

2.3 Cloroplastos

En procariotas tales como cianobacterias, la fotosíntesis tiene lugar en gránulos unidos a la membrana plasmática o en un sistema de membranas internas propio llamado tilacoide. El sitio de la fotosíntesis en eucariotas como las plantas verdes y las algas verdes es el cloroplasto, una organelo que discutimos en la unidad de La Célula. Al igual que la mitocondria, el cloroplasto tiene membranas internas y externas y un espacio intermembrana. Además, dentro del cloroplasto hay cuerpos llamados grana, que consisten en pilas de membranas aplanadas como monedas llamadas discos tilacoides, el nombre compun a las membranas de las cianobacterias no es ninguna coincidencia, pues ambas hacen lo mismo con las mismas enzimas, lo cual es una evidencia de su relación evolutiva (De Clerck, Bogaert, & Leliaert, 2012; Gray & Archibald, 2012). Las granas están conectadas por membranas llamadas láminas intergranales. Los discos tilacoides se forman mediante el plegado de una tercera membrana dentro del cloroplasto. El plegamiento de la membrana tilacoide crea dos espacios en el cloroplasto además del espacio intermembrana. El estroma se encuentra dentro de la membrana interna y fuera de la membrana tilacoide. Además del estroma, hay un espacio intertilacoidal. La captura de la luz y la producción de oxígeno tienen lugar en los discos tilacoidales. Las reacciones oscuras (también llamadas reacciones independientes de la luz), en las que el CO2 es fijado a los carbohidratos, tienen lugar en el estroma.

Está bien establecido que el evento primario en la fotosíntesis es la absorción de luz por la clorofila. Los estados de alta energía (estados excitados) de la clorofila son útiles en la fotosíntesis porque la energía luminosa se puede pasar a lo largo de complejos enzimáticos y se convierte en energía química en las reacciones de la luz. Hay dos tipos principales de clorofila, la clorofila a y la clorofila b. Los eucariotas tales como las plantas verdes y las algas verdes contienen clorofila a y clorofila b. Los procariotas tales como las cianobacterias (antes llamadas algas azules-verdes) contienen sólo clorofila a. Las bacterias fotosintéticas distintas de las cianobacterias tienen bacterioclorofilas, siendo la bacterioclorofila a la más común. Los organismos como las bacterias verdes y sulfuropurpurosas, que contienen bacterioclorofilas, no utilizan el agua como la fuente última de electrones para las reacciones redox de la fotosíntesis, ni producen el oxígeno. En su lugar, utilizan otras fuentes de electrones como dihidruro de azufre, que produce azufre elemental en lugar de oxígeno. Los organismos que contienen bacterioclorofila son anaerobios y tienen solamente un fotosistema llamado fotosistema I, mientras que las plantas verdes tienen dos fotosistemas diferentes.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

2.4 La clorofila

Los pigmentos son compuestos que tiñen de determinado color una solución, debido a que absorben y reflejan determinadas longitudes de onda. La luz absorbida son los colores que desaparecen de nuestra vista, mientras que la luz reflejada son los colores que aparecen a nuestra vista. La clorofila que significa afín o amante del verde es por lo tanto un nombre paradójico para los pigmentos verdes. Esto se debe a que los pigmentos verdes absorben todos los colores, menos el verde el cual expulsan o emiten al ambiente. Las hojas y una amplia gama de estructuras vegetales son verdes debido a que sus cloroplastos poseen grandes cantidades de clorofila que constantemente se encuentra emitiendo luz de longitud de onda verde que no es absorbida para realizar la fotosíntesis. Los colores cuyas longitudes de onda son más fuertemente absorbidos por la clorofila son el  azul y el rojo.

En el presente espectro de absorción se muestra en el eje (x) las longitudes de onda de la radiación electromagnética asociada a determinados colores. En el eje (y)  se encuentra el nivel de absorción relativo de determinada longitud de onda. La clorofila a absorbe principalmente dos colores, el azul oscuro y el rojo intenso, los demás colores los emite.


2.5 Estructura de la clorofila

Existen dos clases de clorofila, la clorofila a y la clorofila b, ambos son pigmentos verdes que absorben longitudes de onda especialmente en el azul y el rojo.

Estructura general de la clorofila. En verde el anillo de porfirina con su centro de magnesio. Sin color la cola. En el anillo de porfirina se señalan algunas diferencias entre diferentes clorofilas. En la esquina superior izquierda, se muestra que un grupo etilo se reemplaza por un grupo metilcarbonilo "forma una punta cetona" en el caso de las clorofilas de la clorofila de las bacterias verdes sulfurosas y parientes fotosintéticos. En la esquina superior derecha, se muestra que la diferencia entre la clorofila a y la b es el reemplazo de un grupo metilo en la clorofila a por un grupo carbonilo en la b generando una punta aldehído.

La estructura molecular es muy similar en la mayor parte excepto por una pequeña diferencia en un cambio de un grupo metil (clorofila a) por un grupo carbonilo terminal (clorofila b), lo cual altera las longitudes de onda a las que responde la molécula. El resto de la estructura es similar. La clorofila a es una molécula de dos partes. La primer parte es un anillo de porfirina, que funciona como la parte de absorción de luz. Este anillo se encuentra en el interior de la membrana celular. La estructura recuerda a la del grupo hemo, siendo un marco orgánico que apoya la función de un metal. En la hemoglobina es un átomo de hierro, mientras que en la porfirina es un átomo de magnesio.

El anillo de porfirina posee una propiedad similar a la del anillo del benceno, sus enlaces dobles y simples alternantes no son más que una representación del enlace deslocalizado en donde los electrones fluyen de manera poco unida a sus respectivos núcleos. Cuando un fotón de luz impacta contra el anillo de porfirina, se causa una redistribución de la densidad de electrones, los cuales al estar deslocalizados, hace que se pierdan los electrones muy fácilmente. En otras palabras, la forma en como está unido el anillo de porfirina hace que los electrones de los enlaces dobles y simples sean fáciles de arrancar, y solo basta la energía contenida en un fotón de luz para lograr ese cometido. El anillo de porfirina vibra con los fotones de algunas longitudes de onda, mientras que otras simplemente pasan sin activar el sistema de emisión de electrones.

Este detalle es particularmente evidente en un espectro de absorción de absorción de luz para la molécula de clorofila. Al igual que cuando se hace para la fase gaseosa de ciertos elementos purificados, el espectro de absorción es único, y permite identificar la molécula. Sin embargo, ciertos polipéptidos cortos unidos de manera débil a la clorofila pueden modificar el espectro de absorción de luz.

Diferencias en la absorción de luz entre las clorofilas a y b. Aunque ambas tienen picos de absorción hacia los mismos colores "azul y rojo" no se sobrelapan completamente, permitiendo absorber mas gamas de ambos colores. Cabe anotar que otra diferencia entre ambas clorofilas en las plantas terrestres es que se asocian a un fotosistema específico.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).


2.6 Carotenoies

A parte de la clorofila y los carotenoides existen otros pigmentos fotosintéticos que pueden absorber los verdes como la ficoeritrina y la ficocianina presente en las cianobacterias.

Muchas clases de clorofila no son reconocidas como tales debido a una diversidad de polipéptidos accesorios que alteran las longitudes de onda a las cuales responden. Las clorofilas sin alterar se encuentran más ampliamente distribuidas en cianobacterias, algas y plantas terrestres, sin embargo las plantas terrestres tienen otras clorofilas modificadas. Esto se debe a que el agua también es una molécula que responde a la luz, absorbiendo longitudes de onda que se relacionan con colores que se pierden cuando la luz ingresa al agua. En tierra esas longitudes de onda se mantienen y portan energía. Estas clorofilas modificadas se denominan carotenoides, las cuales se caracterizan por emitir luz no absorbida en los colores amarillo y anaranjado.

Cuando los tejidos vegetales acumulan una gran cantidad de carotenoides adquieren colores característicos Amarillo y anaranjado como en la zanahoria y la naranja. Estos pigmentos son acumulables cuando son consumidos en el tejido adiposo de los mamíferos. Una persona con una dieta excesiva de carotenoides se pondrá amarillo o anaranjado como una zanahoria. Los carotenoides poseen funciones múltiples, en primera instancia en honor a su origen filogenético, actúan como pigmento fotosintético secundario.

Adicionalmente ayudan a estabilizar a las clorofilas extrayendo exceso de energía desde las clorofilas verdes y emitiéndola al ambiente en forma de calor. Esto se debe principalmente a que el calor puede romper el anillo de porfirina y otros componentes claves del sistema fotosintético. Otro efecto perjudicial, es que el oxígeno absorbería esa energía calórica haciéndolo hiperreactivo, y el oxígeno hiperreactivo es hipervenenoso, hipermutagénico, hipercancerigeno, e hipermortal.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

2.1 Complejo de recolección de luz Solar

En 1932, Robert Emerson y William Arnold del Instituto Tecnológico de California llevaron a cabo una serie de experimentos que conllevaron a una extraña conclusión (Emerson & Arnold, 1932a, 1932b). No toda la clorofila en una planta era empleada para la conversión de energía lumínica en energía química. Empleando suspensiones del alga verde denominada Chlorella y rayos de luz de duración extremadamente corta se pudo determinar la cantidad de energía mínima para la producción optima de oxigeno durante la fotosíntesis. Basados en la cantidad de clorofila presente en la preparación, calcularon que una sola molécula de oxigeno era liberada durante un rayo de luz muy corto por cada 2500 moléculas de clorofila presentes. Posteriormente, Emerson demostró que se necesitaba un mínimo de 8 fotones para poder sintetizar una sola molécula de oxigeno molecular, lo cual implica que los cloroplastos poseen cerca de 300 veces las moléculas que deberían ser necesarias para oxidar el agua y sintetizar el oxígeno molecular. Lo anterior nos lleva a la pregunta ¿para qué sirve la clorofila extra?

Una posible interpretación de estos resultados es que solo un pequeño porcentaje de las moléculas de clorofila están relacionadas con la fotosíntesis, lo cual es una verdad a medios y una falsedad a medias. Las clorofilas se encuentran empaquetadas y actúan en grupos como uno solo, en una estructurada denominada unidad fotosintética. La unidad fotosintética posee clorofilas que se distribuyen las funciones, solo una parte de las clorofilas se desempeñan como el centro de reacción de la clorofila. La función del centro de reacción es transferir electrones a un aceptor. A pesar de que la mayor parte de las clorofilas no participan de manera directa en la conversión de luz en energía química, ellas son responsables de la absorción de la luz.

Las clorofilas y los carotenoides se los pueden clasificar dos grupos diferentes, la antena y el centro de la reacción. En la antena se encuentra la mayor densidad molecular de clorofilas, así como los carotenoides que la protegen. La energía se transfiere desde los pigmentos que capturan mayor energía a los que capturan menor energía. La transferencia de la energía de excitación desde una molécula a otra es muy sensible a la distancia entre las moléculas. Las moléculas en una antena de fotosíntesis se mantienen a una gran proximidad unas de otras para no disipar la energía capturada.

Una regla que opera en los pigmentos de la antena fotosintética, es que la energía solo se puede transmitir a una molécula que pueda capturar la misma o menor energía. En otras palabras, la energía solo puede pasar a una molécula que absorbe luz en la misma o en una longitud de onda más grande “corriendo hacia el rojo”. A medida que la energía pasa de una molécula a otra parte de ella se disipa "impuesto al universo por la segunda ley de la termodinámica" y una fracción llega al centro de reacción, la cual procesa menor energía que cualquier otra molécula ubicada en la antena. Una vez el centro de reacción captura energía, este emite un electrón hacia su aceptor.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

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