Fase luminosa o fotoquímica

Los cloroplastos son centrales químicas impulsadas por el sol. Sus tilacoides transforman la energía química del ATP y del NADH. Para comprender mejor esta conversión, debemos conocer algunas propiedades importantes de la luz.

La naturaleza de la luz solar

La luz es una forma de energía conocida como energía electromagnética, también llamada radiación electromagnética. La energía electromagnética se desplaza en ondas rítmicas análogas a las creadas al arrojar una piedra a un estanque. Las ondas electromagnéticas, sin embargo, son perturbaciones de los campos electrónicos y magnéticos en vez de perturbaciones de un medio material como el agua.

La distancia entre las crestas de las ondas electromagnéticas se denomina longitud de onda. Las longitudes de onda abarcan de menos de un nanómetro (para los rayos gamma), hasta más de un kilómetro (para las ondas de radio). Todo este rango de radiación se conoce como el espectro electromagnético. El segmento más importante para la vida es una banda angosta de 380 nm a 750 nm de longitud de onda. Esta radiación se conoce como luz visible porque el ojo humano le detecta como diversos colores. El modelo ondulatorio de la luz explica muchas de las propiedades de la luz pero, en ciertos aspectos, la luz se comporta como si estuviese compuesta por partículas discretas, llamadas fotones. Los fotones no son objetos tangibles, pero actúan como objetos en cuanto a que cada uno de ellos tiene una cantidad de energía fija. La cantidad de energía se relaciona inversamente a la longitud de onda de la luz; mientras más corta sea la longitud de onda, mayor será la energía de cada fotón de esa luz. Por tanto, un fotón de luz violeta carga casi con el doble de la energía de un fotón de luz roja.

Aunque el sol irradia en todo el espectro de energía electromagnética, la atmósfera actúa como una ventana selectiva, que permite que la luz visible la atraviese, mientras que filtra una fracción considerable de otras radiaciones. La parte del espectro que podemos ver, la luz visible, también es la radiación que impulsa la fotosíntesis.

Pigmentos fotosintéticos: los receptores de luz

Cuando la luz se encuentra con la materia puede ser reflejada, transmitida o absorbida. Las sustancias que absorben luz visible se conocen como pigmentos. Los diferentes pigmentos absorben la luz de diferentes longitudes de onda y las longitudes de onda que se absorben desaparecen. Si se ilumina un pigmento con luz blanca, el color que vemos es el color más reflejado o transmitido por el pigmento (si un pigmento absorbe todas las longitudes de onda, se ve como negro). Percibimos el verde cuando observamos una hoja debido a que la clorofila absorbe azul-violeta y luz roja mientras que transmite y refleja luz verde.

La capacidad de un pigmento de absorber diversas longitudes de onda puede medirse con un instrumento llamado espectrofotómetro. Esta máquina dirige rayos de luz de diferentes longitudes de onda a través de una solución del pigmento y mide la fracción de la luz transmitida en cada longitud de onda. Un gráfico que traza la absorción de la luz de un pigmento versus la longitud de onda se denomina espectro de absorción.

El espectro de absorción de los pigmentos de los cloroplastos proporciona claves de la efectividad relativa de diferentes longitudes de onda para impulsar la fotosíntesis, puesto que la luz puede realizar trabajo en los cloroplastos solo si ésta es absorbida. Si primero observamos el espectro de absorción de la clorofila a, éste sugiere que la luz azul violeta y la luz roja funcionan mejor para la fotosíntesis, puesto que son absorbidas, mientras que el verde es el color menos efectivo. Esto se confirma por un espectro de acción para la fotosíntesis, que perfila la efectividad relativa de diferentes longitudes de onda de la radiación para impulsar el proceso. Un espectro de acción se prepara iluminando los cloroplastos con luz de diferentes colores y luego representando gráficamente las longitudes de onda contra alguna medición de la proporción fotosintética, como el consumo de CO2 o la liberación de O2.

Al comparar a y b el espectro de acción para la fotosíntesis no coincide exactamente con el espectro de absorción de la clorofila a. El espectro de absorción de la clorofila a sola subestima la efectividad de ciertas longitudes de onda para conducir la fotosíntesis. Esto se debe en parte a que los pigmentos accesorios con diferentes espectros de absorción también son fotosintéticamente importantes en los cloroplastos y amplifican el espectro de colores que pueden utilizarse para la fotosíntesis. Uno de estos pigmentos accesorios es otra forma de clorofila, la clorofila b. La clorofila b es casi idéntica a la clorofila a, pero una leve diferencia estructural entre ellas es suficiente para conferir a los dos pigmentos espectros de absorción levemente diferentes. Como resultado, tienen diferente color: la clorofila a es azul verdosa, mientras que la clorofila b es amarillo-verdosa.

Otros pigmentos accesorios incluyen los carotenoides, hidrocarburos que son diversos matices de amarillo y naranja debido a que absorben luz violeta y verde azulada. Los carotenoides pueden ampliar el espectro de colores que pueden impulsar la fotosíntesis. Sin embargo, una función más importante de al menos algunos carotenoides parece ser la fotoprotección: estos compuestos absorben y disipan la energía lumínica excesiva que de otra forma dañaría la clorofila o interactuaría con el oxígeno, para formar moléculas oxidativas reactivas que son peligrosas para la célula. Es interesante observar que carotenoides similares a los fotoprotectores en los cloroplastos desempeñan un papel fotoprotector en el ojo humano. Éstas y otras moléculas relacionadas se destacan en productos alimenticios como “fitoquímicos” con poderes antioxidantes. Las plantas pueden sintetizar todos los antioxidantes que requieren, mientras que los seres humanos y otros animales deben obtener algunos de ellos a partir de sus dietas.

Excitación de la clorofila por la luz

¿Qué es lo que sucede exactamente cuando la clorofila y otros pigmentos absorben luz? Los colores correspondientes a las longitudes de onda absorbidas desaparecen del espectro de la luz transmitida y reflejada, pero la energía no puede desaparecer. Cuando una molécula absorbe un fotón de luz, uno de los electrones de la molécula se eleva hasta un orbital donde tiene más energía potencial. Cuando el electrón se encuentra en su orbital normal, se dice que la molécula de pigmento está en su estado fundamental. La absorción de un fotón impulsa un electrón a un orbital de mayor energía y se dice que la molécula de pigmento se encuentra en estado excitado.

Los únicos fotones absorbidos son aquellos cuya energía es exactamente igual a la diferencia de energía entre el estado fundamental y el estado excitado y esta diferencia de energía varía de un tipo de átomo o molécula a otra. Por tanto, un componente particular absorbe solamente fotones correspondientes a longitudes de onda específicas, razón por la cual cada pigmento tenga un único espectro de absorción.

Una vez que la absorción de un fotón eleva un electrón desde el estado fundamental hasta un estado excitado, el electrón no puede permanecer mucho tiempo allí. El estado excitado, como todos los estados de energía elevados, es inestable. Por lo general, cuando las moléculas de pigmento aisladas absorben luz, sus electrones excitados vuelven a caer al orbital del estado fundamental en una milmillonésima de segundo: para liberar su exceso de energía como calor.

Esta conversión de energía lumínica en calor es lo que determina que el techo de un automóvil esté tan caliente en un día soleado (los autos blancos son más frescos porque la pintura refleja todas las longitudes de onda visible, aunque puede absorber ultravioleta y otra radiación invisible). En aislamiento algunos pigmentos, entre ellas la clorofila, emiten luz además de calor tras absorber fotones. A medida que los electrones excitados caen nuevamente a su estado fundamental emiten fotones. Esta luminiscencia se denomina fluorescencia. Si se ilumina una solución de clorofila aislada de los cloroplastos, esta será fluorescente en la parte roja-anaranjada del espectro y también liberará calor.

Un fotosistema: un centro de reacción asociado con complejos captadores de luz

Las moléculas de clorofila excitadas por la absorción de energía lumínica producen resultados muy diferentes en un cloroplasto intacto del que tendrían en aislamiento. En su ambiente original de la membrana tilacoide, las moléculas de clorofila se organizan junto con otras moléculas orgánicas complejas y proteínas para formar fotosistemas.

Un fotosistema está compuesto por un centro de reacción rodeado por un número de complejos captadores de luz. Cada complejo captador de luz consiste en moléculas de pigmento (que pueden incluir clorofila a, clorofila b y carotenoides) unidos a proteínas concretas. El número y la variedad de moléculas de pigmentos permiten a un fotosistema captar luz en una extensa superficie y una porción mayor del espectro que lo que podría cualquier molécula de pigmento individual.

En conjunto, estos complejos captadores de luz actúan como una antena para el centro de reacción. Cuando una molécula de pigmento absorbe un fotón, la energía es transferida de una molécula de pigmento a otra dentro de un complejo captador de luz hasta que se canaliza al centro de reacción. El centro de reacción es un complejo proteico que incluye dos moléculas de clorofila a y una molécula denominada aceptor primario de electrones. Estas moléculas de clorofila a son especiales debido a que sus ambientes moleculares -sus localizaciones y las otras moléculas con las cuales se asocian- les permiten utilizar la energía de la luz para impulsar uno de sus electrones a un nivel de energía superior.

La transferencia impulsada por energía solar de un electrón desde una molécula especial de clorofila a hasta el aceptor primario de electrones es el primer paso de las reacciones de la fase luminosa. Tan pronto el electrón de la clorofila es excitado a un nivel de energía superior, el aceptor primario de electrones lo captura; ésta es una reacción redox. La clorofila aislada es fluorescente debido a que no hay un aceptor de electrones, por lo que, los electrones de la clorofila fotoexcitada vuelven a caer directamente al estado fundamental. En un cloroplasto se evita este abrupto regreso de los electrones de alta energía con el estado fundamental. Por tanto, cada fotosistema -un centro de reacción rodeado por complejos captadores de luz- funciona en el cloroplasto como una unidad. Esta convierte la energía lumínica en energía química que, en última instancia, se empleará para la síntesis de azúcar.

La membrana tilacoidal está poblada por dos tipos de fotosistemas que cooperan en las reacciones de la fotosíntesis. Se los denomina fotosistema II (PS II) y fotosistema I (PS I). Cada uno tiene un centro de reacción característico -un tipo particular de aceptor primario de electrones junto a un par de moléculas especiales de clorofila a asociadas con proteínas específicas-. El centro de reacción de la clorofila a del fotosistema II se conoce como P680 debido a que este pigmento absorber mejor la luz con una longitud de onda de 680 nm (en la parte del rojo del espectro).

La clorofila a en el centro de reacción del fotosistema I se denomina P700 debido a que absorbe luz de 700 nm con mayor efectividad (en la parte rojo lejana del espectro). Estos dos pigmentos, P680 y P700, son en realidad moléculas idénticas de clorofila a. Sin embargo, sus asociaciones con diferentes proteínas en la membrana tilacoidal afecta la distribución de electrones en las moléculas de clorofila y aplican las leves diferencias en las propiedades absorbentes de la luz. Ahora veamos el modo en el que los dos fotosistemas trabajan juntos utilizando energía lumínica para generar ATP y NADPH, los dos productos principales de las reacciones de la fase luminosa.