FOTOSINTESIS EN PLANTAS SUPERIORES:

DESDE LA CAPTACION DE LA ENERGIA HASTA LA FORMACION DE PRODUCTOS FINALES

1. Introducción

La importancia del proceso fotosintético en organismos vivos, radica en que es el responsable de la entrada de energía a la biosfera y de la incorporación de carbono a moléculas orgánicas y, por lo tanto, el suministro total de alimentos proviene directa o indirectamente de la actividad fotosintética. Este proceso se encuentra presente, con variaciones evolutivas importantes, en distintos organismos vivos como algas, bacterias y plantas superiores, y aparece por primera vez hace tres mil millones de años. Como entendemos el proceso fotosintético en plantas superiores hoy día, podemos suponer que es el responsable de la transformación del planeta, a su forma presente, con una baja concentración de CO2 (0,003%) en la atmósfera, al mismo tiempo de una alta concentración de O2 respirable (21 %).

El conocimiento del funcionamiento de este proceso, ha permitido enriquecer tecnologías esenciales en la producción agronómica y forestal. Un ejemplo de lo anterior, es la incorporación de herbicidas que alteran o detienen su funcionamiento, limitando la capacidad competitiva o viabilidad de malezas. A nivel más general, el conocimiento de la fisiología y metabolismo del proceso fotosintético a permitido comprender las bases de la adaptación de especies vegetales a ambientes desfavorables.

2. La luz como fuente de energía inicial.

Como es sabido, para reducir CO2 a compuestos como sacarosa y almidón, se requiere de energía. Las plantas superiores, como todos los organismos fotosintéticos, obtienen dicha energía de la luz. El concepto de luz acepta dos definiciones: a) de ondas y b) cuántica.

En el concepto de ondas, la luz se puede definir como las oscilaciones de un campo magnético y un campo eléctrico, perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación, y se caracteriza de acuerdo a la longitud de onda (distancia desde un máximo de la onda al siguiente) y su frecuencia (número de oscilaciones que se desplazan a una distancia determinada por unidad de tiempo). El concepto cuántico, describe a la luz como un flujo de partículas sin masa pero cargadas de energía. Cada partícula se denomina fotón o quanta.

Figura 1. Representación de la luz, en forma de onda. La longitud de la onda corresponde a la distancia entre los 2 máximos consecutivos.

Ambos conceptos son complementarios de acuerdo a la siguiente ecuación, denominada de Einstein, que describe la energía contenida en la luz de acuerdo a la longitud que esta posea:

E = hc/ (1)

En donde E es energía, h es la constante de energía de Plank (6.626196 x 10-34 J s-1), c es la velocidad de la luz (3 x 108 ms-1) y  representa la longitud de onda. Es decir, la energía de la luz es inversamente proporcional a la longitud de onda.

Figura 2. Espectro electromagnético en el que se resalta el espectro visible entre los 400 a 700 nm, el que coincide muy estrechamnete con aquel utilizado fotosintéticamente por las plantas superiores.

La figura muestra el rango de longitudes de onda, resaltando aquellas del espectro visible desde los 400 a 700 nm, es decir, percibidas por el ojo humano, y que coinciden cercanamente con el espectro fotosintéticamente activo, aquel que es posible de ser utilizado por las plantas superiores en el proceso fotosintético. De acuerdo a la ley de Einstein, luz de color azul será más energética que la de color rojo puesto que esta última tiene una longitud de onda mayor.

3. Absorción de la radiación luminosa

La base biofísica de la captación energética por parte de las plantas, consiste en que la luz es capaz de interactuar con la materia. Para nuestro interés específico, aquellas especies moleculares, que son capaces de absorber radiaciones de cierta longitud de onda y reflejar otras, son denominadas pigmentos. En fotosíntesis en plantas superiores, los pigmentos más importantes en la captación de la energía son las clorofilas, del tipo a y b.

La energía de los pigmentos absorbedores de luz está definida por los orbitales moleculares. Específicamente, existen electrones que pueden saltar a orbitales moleculares más alejados del centro. Cuando esto sucede, estos electrones o moléculas, se denominan en estado excitado.

La energía interna de una molécula está determinada por la energía asociada con los electrones (orbitales moleculares) con la vibración entre átomos, y con la rotación de varios grupos de átomos dentro de una molécula, relativa a otros grupos.

Las moléculas en su estado base pueden estar a diferentes niveles energéticos rotacionales y vibracionales y, por lo tanto, requerirán diferentes cantidades totales de energía para lograr una transición electrónica. Igualmente, la molécula excitada final puede existir en varios niveles energéticos rotacionales y vibracionales.

Figura 4. Espectro de absorción de las moléculas de clorofila a (verde) y b (rojo). En ambos casos se observan máximos de absorción en las regiones del rojo (430 -450 nm) y del azul (680-700 nm).

Figura 5. representación estructural de una molécula de clorofila a, constituida por un anillo pirrólico y una cadena de fitol

2. Aparato Fotosintético

El aparato fotosintético describe las estructuras que permiten que el proceso de captación de energía luminosa ocurra, transformándose, ésta, en energía química. El proceso fotosintético ocurre en los cloroplastos. Los cloroplastos ocupan cerca del 8% del volúmen celular, pero su número varía según la especies y las condiciones ambientales, fundamentalmente de luz. Están rodeados por una doble membrana externa denominada envoltorio, que los separa del citoplasma. En su interior se encuentra una membrana denominada tilacoides, que se extiende en el interior, plegándose en ciertas regiones y conformando las denominadas granas. Las membranas tilacoidales encierran un espacio interior denominado lumen. El espacio ubicado entre las membranas tilacoidales y la doble capa o envoltorio, se denomina estroma y es donde ocurre parte importante de las reacciones enzimáticas de reducción del carbono.

Figura 6. Vista longitudinal de un cloroplasto, en la que se identifican el envoltorio (membrana doble), la extensa membrana tilacoidal agrupada en ciertas regiones conformando granas, y los espacios del estroma y lumen.

El aparato fotosintético se organiza en estructuras especializadas encargadas de absorber la energía luminosa, las que se encuentran ubicadas en las membranas tilacoidales. Se pueden distinguir básicamente 4 macrocomplejos proteicos: los fotosistemas I y II (PSI y PSII respectivamente), el citocromo b/f y la ATP-sintasa. Eso sí, la localización de cada uno de estos macrocomplejos no es al azar. Los PSII se encuentra ubicados en aquellas regiones de las membranas tilacoidales no expuestas al estroma, si no apresadas contra otras membranas. Al contrario, los PSI se encuentran en las regiones tilacoidales con libre exposición al estroma, lo mismo que las ATP-sintasa. Los citocromo b/f se encuentran aleatoriamente distribuidos en todas las regiones y márgenes de las membranas tilacoidales.

Figura 7. Esquema representativo de las membranas tilacoidales señalando la segregación de los PSII a las regiones apresadas y de los PSI y ATP-sintasa a las regiones no- apresadas o expuestas. Los complejos citocromo b6/f se encuentran aleatoriamente ubicadas en todas las regiones de los tilacoides

3. Absorción Luminosa y Transporte Lineal de Electrones

El transporte de electrones, producto de la absorción luminosa, puede explicarse comenzando por las clorofilas del PSII. Las moléculas de clorofilas ubicadas en las antenas colectoras de los PSII, absorben la luz incidente y transmiten su energía a otras moléculas vecinas. Dicho traspaso ocurre por resonancia y se debe a una interacción dipolo-dipolo entre la molécula excitada y la molécula de clorofila vecina, efecto denominado transferencia de energía de Coulomb. Una molécula excitada actúa como un dipolo que induce un aumento en la energía vibracional de otra molécula vecina. Esta energía vibracional puede alcanzar una magnitud tal que el electrón inducido a un mayor estado vibracional en el estado basal, salta a un primer estado estado excitado.

Las moléculas de clorofila se entregan la energía absorbida unas a otras, hasta llegar, desde las antenas, al centro de reacción. En el centro de reacción, conformado por un dímero de dos proteínas integrales de la membrana tilacoidal, designados como D1 y D2, se encuentra una molécula especial de clorofila denominada P680 o dador primario del PSII. Cuando la energía excita al dador primario, en vez de entregar energía vibracional, el dador primario entrega un electrón a un primer aceptor ubicado también en el centro de reacción, denominado feoifitina. La feofitina a su vez reduce a una quinona A (QA) y esta a una quinona B (QB). La molécula de P680 que ha quedado oxidada (P680 +) es reducida nuevamente por los electrones provenientes de moléculas de agua desde el lúmen de los cloroplastos. A consecuencia de ello, el oxígeno se libera al medio y se acumulan protones en el lúmen.

Figura 8A. Representación esquemática del PSII. D1 y D2 (2 polipéptidos de 32 KDa) representan el heterodímero que conforma el centro de reacción, que contiene al P680 (dador primario), YZ (tirosina), Pheo (feofitina), QA y QB (quinonas aceptoras de electrones), y CP43 y CP47 (proteínas de la antena interna). La antena periférica

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