Fotosíntesis: De natural a artificial

Posted on by

Todos los organismos necesitan de energía para vivir. La mayor parte de esta energía procede del Sol, y pese a que no todos la usan directamente, las plantas y demás organismos fotosintéticos (algunas bacterias y algas) pueden capturar la energía solar, transformarla en energía química y almacenarla. Este proceso natural se denomina fotosíntesis y consiste en convertir la energía lumínica, el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno.

 

La fotosíntesis oxigénica en la Naturaleza

Evolución

Hace unos 3500 millones de años, cuando en los océanos ya existían millones de células vivas, aparecieron los estromatolitos y hace entre 2500 y 1000 millones de años, los arrecifes de estromatolitos. Construidos por un alga azul-verde unicelular, estos arrecifes estaban ampliamente expandidos, produciendo oxígeno de forma masiva. Una característica remarcable de estas algas, hoy en día llamadas cianobacterias, es que separan las moléculas de agua liberando oxígeno y fijando CO2 durante la fotosíntesis. Las primeras bacterias fotosintetizadoras que evolucionaron solo usaban luz solar para combinar CO2 e hidrógeno libre fabricando azúcares simples. Las cianobacterias están capacitadas para usar abundante agua como principal materia prima, liberando oxígeno como desecho. Pero van más allá, invadiendo los organismos pluricelulares que finalmente se convirtieron en los cloroplastos. Como resultado de la fotosíntesis oxigénica, la concentración de oxígeno en la atmósfera aumentó gradualmente hasta el nivel de hoy en día. A su vez, el oxígeno en la atmósfera da lugar a la capa de ozono que protege a los organismos contra la radiación ultravioleta perjudicial.

Aparato fotosintético

Esquema de un cloroplasto

Un cloroplasto tiene una envoltura que encierra un sistema de membranas internas en las que las reacciones, inducidas por la luz solar, tienen lugar. Estas membranas interiores se denominan membranas tilacoides. Las membranas tilacoides contienen proteínas, las cuales proporcionan un armazón que mantiene de forma no covalente los pigmentos captadores de luz, tales como las clorofilas y carotenoides, mientras que otros llevan a cabo algunas de las reacciones enzimáticas de la fotosíntesis. La fase acuosa externa a los tilacoides se denomina estroma cloroplasto.

Es un espacio que contiene muchas enzimas implicadas en la transformación de CO2, precursores de los productos finales (hidratos de carbono), y otras enzimas implicadas en desechar oxígeno reactivo. La fase acuosa interna, llamado el lumen, es continua entre los tilacoides; que también es un espacio donde una gran cantidad de actividad bioquímica se lleva a cabo, en particular la deposición de protones como un almacenamiento temporal de energía electroquímica.

La secuencia temporal de eventos en la fotosíntesis

La secuencia temporal de eventos en la fotosíntesis

La fotosíntesis comienza con la absorción de fotones por las moléculas de pigmento. Una serie de acontecimientos se producen después de la absorción de fotones en una secuencia temporal que en ocasiones se describe como la ‘eras de la fotosíntesis’. En la era de la radiación física ( de ps a ns después de la absorción de fotones), separación de carga primaria (transferencia de electrones de un donante principal a un aceptor primario), generalmente después de la estabilización de la carga (transferencia directa del electrón a un receptor más estable y la reposición del electrón perdido por el aceptor primario).
Separación de la carga primaria se produce en competencia con otras vías de disipación de los estados excitados de moléculas de pigmento, tales como sin radiación de excitación, y, en pequeña medida, la emisión de fluorescencia de la clorofila. En la era química, las transferencias de electrones secundarios se producen en el ámbito de la oxidación-reducción (redox) (ns a ms). En la era bioquímica, las reacciones enzimáticas se producen en los milisegundos a escala minutos de tiempo. Por último, el crecimiento de la planta que depende directamente de la fotosíntesis que pasa en una escala de tiempo más lento aún. La fotosíntesis, por que abarca los ámbitos de fotofísica, química física, bioquímica, a través de la fisiología vegetal e incluso la evolución de plantas, es verdaderamente una rama interdisciplinaria de la ciencia.

Procesos físico-químicos en la fotosíntesis natural

Absorción de la luz

Esquema del fotosistema I y II

De la naturaleza dual de la luz, es el comportamiento como partícula el relevante en la transferencia de electrones en la fotosíntesis. Aunque la absorción de la luz azul por la clorofila da lugar al segundo estado excitado simple, el segundo estado excitado pronto se convierte en el primer estado excitado por la emisión de calor. Desde el primer estado excitado, también inducido por la absorción de la luz roja, la conversión fotoquímica útil o la perdida de calor o la emisión de fluorescencia puede ocurrir. En este sentido, un fotón azul es equivalente a un fotón rojo; es el número de fotones absorbidos lo que importa, en lugar de la energía original de cada fotón visible.
La absorción de la luz por la clorofila es relativamente pobre a longitudes de onda verdes, y el aumento de la reflexión en la región verde es el motivo de que veamos la hojas verdes. Sin embargo, incluso la luz verde se absorbe bastante bien debido a la dispersión múltiple dentro de una hoja asegura una longitud de trayectoria larga y una alta probabilidad de absorción. Por lo tanto, una hoja absorbe típicamente 85% o más de la luz blanca incidente y sobre 70% de la luz verde.

Transferencía de energía por excitación

Cada molécula de clorofila en una hoja expuesta a la luz solar absorbe cerca de 5 fotones por segundo. Si cada molécula de clorofila tuviera su propio conjunto de componentes para dividir el agua, cada conjunto estaría inactivo la mayor parte del tiempo (siendo un uso ineficiente de los recursos). La naturaleza ha desarrollado un mecanismo mediante el cual muchas (alrededor de 200 moléculas de clorofila) cooperan para canalizar cualquiera de los fotones absorbidos hacia el centro de reacción donde la energía de los fotones puede ser atrapada y utilizada. Estas moléculas de clorofila, por lo tanto, actúan como la antena de un radiotelescopio: un fotón absorbido por cualquier molécula de pigmento inicia la transferencia de energía de excitación hacia el centro de reacción.
A fin de que la antena funcione, las moléculas de clorofila se conservarán a una distancia óptima de separación. Cuando estén demasiado juntas, las moléculas de clorofila formarán agregados con los niveles de energía adicionales que favorecen des-excitación por la emisión de calor. Cuando estén demasiado separadas, no pueden canalizar de manera eficiente la energía hacía el centro de reacción.
La distancia óptima de centro a centro entre las cabezas de cromóforos de clorofila se consigue utilizando un armazón de proteína que se liga de forma no covalente las moléculas de pigmento en posición. El único complejo (monómero) contiene una proteína con tres α hélices transmembrana. Se cree que la forma nativa de este sistema de antena consiste en un trímero de tres complejos individuales. Entonces puede haber cuatro o cinco trímeros al servicio de cada centro de reacción del fotosistema II (PS II) en el que se desarrolló el oxígeno. Todo el sistema de antena eficaz puede consistir de aproximadamente 200 moléculas de clorofila, dependiendo de las condiciones de luz ambiental.
La energía se pensó para ser transferida entre las moléculas de clorofila mediante dos mecanismos:

Acoplamiento deslocalizado de excitones. En este modo, efectiva a distancias de hasta 20 Å, energía oscila entre donante y aceptor moléculas de pigmento sin estar localizada a ambos. Este es el modo probable de transferencia dentro de un monómero;

Transferencia Förster. En este modo, sigue siendo eficaz a distancias mucho mayores que 20 Å, una interacción dipolo-dipolo de largo alcance en el que se produce una molécula aceptora que se excita mientras que la molécula donante cae a su estado fundamental. Este es el modo probable de transferencia entre los monómeros dentro de un trímero y tal vez entre trímeros adyacentes.
Los fotones absorbidos por la antena se canalizan hacia el centro de reacción. Moléculas de pigmento que están más cerca del centro de reacción tienen estados excitados de energía ligeramente inferior debido a la naturaleza del entorno local en el andamio, tendiendo así a dar un solo sentido de tráfico. De esta manera, la energía de excitación migra desde la antena periférica, a través de complejos proteína clorofila captadores de luz menores, hacia la antena interior que rodea el centro de reacción. Este debe ser el rango óptimo para la transferencia de energía de excitación con pérdidas térmicas mínimas.

Carga de separación

Desde la des-excitación por la emisión de fluorescencia, típicamente toma alrededor de un nanosegundo, cualquier atrapamiento útil de la energía de excitación debe ocurrir en un tiempo mucho más corto que 1-2 ns. Cuando un excitón llega al centro de reacción PS II, la etapa de transferencia de carga primaria en el centro de reacción tarda sólo unos pocos picosegundos. El centro de reacción PS II contiene componentes redox, incluyendo P680 (clorofila, una molécula en un par especial), feofitina (Pheo, como una molécula de clorofila, pero sin el átomo de Mg) y el primer aceptor de quinona de un electrón (QA). Estos cofactores redox están unidos a la estructura de las proteínas denominadas D1 / D2 en PS II. Energía de excitación alcanzar P680 provoca la separación de la carga primaria.

P680* Pheo QA → P680+ Pheo- QA

Formando de un par de radicales libres P680+ Pheo. La transferencia de electrones desde P680* a Pheo tarda aproximadamente 3 ps, la velocidad de flujo de electrones en este paso principal es aproximadamente igual a la de un avión supersónico.
La máxima eficiencia con la que PS II sufre una separación de cargas de excitación se puede estimar de la siguiente manera. Considere la clorofila P680 especial en el centro de reacción PS II con un primer estado de energía excitado E680 = hc / λ  , donde h, c y λ (=680 nm) son la constante de Planck, la velocidad de la luz y la longitud de onda, respectivamente. P680 está rodeado de unas 200 antenas de moléculas de clorofila que absorben el máximo a una longitud de onda ligeramente más corta, por ejemplo, 670 nm. Un excitón en PS II es más probable que resida en P680 que en una antena de una molécula de clorofila por un factor de exp [(E 670 – E 680) / (kT) = 3,35 a T = 300K, donde k es la constante de Boltzmann y T la temperatura absoluta. Es decir, la fracción de tiempo que un excitón reside en P680 es 3,35 / 201 = 0,017. En ausencia de cualquier disipación del estado excitado que no sea por fluorescencia, la vida media del estado excitado de la clorofila es de aproximadamente 15 ns, de los cuales 0.017 x 15 = 0,25 ns está disponible para el centro de reacción para iniciar la separación de la carga. Este es el tiempo suficiente para la separación de cargas que requiere sólo un 10 ps (kp ≅ 1011 s-1) para la conversión fotoquímica. Mientras tanto, el tiempo de residencia de 0,25 ns que un excitón pasa por lo P680 disminuye el tiempo de vida de fluorescencia de 15 ns (en ausencia de cualquier otra vías de extinción) a 0,25 ns

[kf = 1 / (2,5 x 10-10 s) = 4 x 109 s-1]

Por lo tanto, la eficiencia de separación de carga es kp / (kp + kf) ≅ 96%, logrado con poca luz. Sin embargo, diversas pérdidas de eficiencia fotosintética en cadena, especialmente en luz alta, dan como resultado una eficiencia global de 1-2% para la conversión de luz en energía química almacenada en hidratos de carbono cosechables.

Estabilización de la carga y recombinación de la carga

Después de la separación de carga, el segundo paso que estabiliza la transferencia de carga tarda sólo 300 ps más o menos:

P680⁺ Pheo⁻QA → P680⁺ Pheo QA

Antes de la estabilización de carga, sin embargo, hay una buena probabilidad de que la recombinación de carga producirá el estado unico de excitación único de nuevo (a veces el estado triplete de larga duración o incluso el estado fundamental directamente):

P680⁺Pheo⁻QA → P680* Pheo QA

Debido a la naturaleza reversible de excitones de captura y la recombinación entre
el par radical (P680⁺ Pheo⁻) para devolver un estado excitado, no se dice que es un equilibrio entre excitones y el par radical, un modelo ampliamente aceptado.

Transferencia de electrones secundarios y movimientos del protón

La donación inicial de un electrón por P680 desencadena una serie de reacciones redox, en el que el electrón es transferido a lo largo de una cadena de componentes hasta que finalmente es aceptada por NADP⁺ (oxidado de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato) para dar la forma reducida NADPH. Antes de la reducción de NADP⁺, otro fotosistema (llamado PS I) también se somete a una separación de carga inducida por fotones, aumentando la energía libre del electrón a un nivel suficiente para la reducción de NADP⁺ Por lo tanto, un electrón de P680 fluye a NADP⁺ en dos pasos cuesta arriba en serie, uno en cada fotosistema.
Mientras tanto, P680⁺ extrae un electrón de agua, con la ayuda de componentes intermedios. Después de cuatro ciclos, cada uno requiere dos fotones (uno en PS II y uno en PS I), una molécula de oxígeno que evolucionó en un par de moléculas de agua que se separan:

2H2O → O2↑ + 4H⁺ + 4e⁻

Por lo tanto, se requiere un mínimo de ocho fotones para evolucionar una molécula de O2; en la práctica, ∼ 9.5 fotones son necesarios cuando hay poca luz. Los protones liberados en esta reacción no se desperdician. Ellos, junto con otros protones liberados en la fase acuosa interna de tilacoides en las reacciones redox derivadas, conducen la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP), catalizada por la enzima ATP sintasa, el motor más pequeño de la naturaleza. La energía libre de NADPH y ATP, finalmente, se almacena en hidratos de carbono. En pocas palabras, H2O es una materia prima ilimitada, y los componentes útiles de agua dividida son los electrones y protones. Por cierto, en el camino en zigzag del flujo de electrones en la membrana tilacoide, hay tres lugares donde fluye el electrón desde el lado interior hacia el lado exterior de la membrana tilacoide: uno en PS II, uno a PS I y uno en el citocromo bf complejo, un complejo de proteína que transporta los electrones del PS II a PS I. Estos pasos de transferencia de electrones “vectorial” son electrogénico, siendo capaz de modificar el campo eléctrico a través de la membrana tilacoide.
La modificación del campo eléctrico distorsiona la energía de los estados excitados de moléculas de pigmento de membranas embebidas como la clorofila y los carotenoides b, un fenómeno conocido como electrocromismo. El resultado es un desplazamiento del pico de absorción de un pigmento y por lo tanto un cambio en la absorción a una longitud de onda dada, medible incluso en una hoja. El rápido incremento de la absorción a 518 nm en el disparo de un flash de láser es una pronta respuesta a la creación de un campo eléctrico a través de la membrana tilacoide (seguido por la deslocalización a lo largo de cada superficie tilacoide); este campo eléctrico está configurado por los dos fotosistemas I y II como los electrones se transfieren desde el interior hacia el lado exterior de la membrana tilacoide. También hay un aumento retardado en la absorción, atribuible a la transferencia de electrones electrogénicos través de la membrana en el sitio del complejo citocromo bf. Señales, tales como el cambio electrocrómico, así como otros cambios de absorción asociados con reacciones redox con citocromos, nos permiten controlar las transferencias electrónicas en vivo.

Redución fotosintética del CO2

Mientras las tilacoides median las ‘reacciones de luz’ de la fotosíntesis, las enzimas en el estroma catalizan la reducción de CO2 a una triosa, a continuación, a un azúcar hexosa, en el llamado ciclo de Calvin-Benson. De estas enzimas, ribulosa 1,5-bifosfato carboxilasa / oxigenasa es el más abundante, y de hecho es la proteína más abundante en el mundo. En las plantas en el que el primer producto estable formado a partir de CO2 tiene tres átomos de carbono, tres ATP y dos moléculas de NADPH son necesarios para la reducción de cada CO2. La formación inducida por la luz de ATP y NADPH es, por lo tanto, responsable de la producción de azúcares simples que a su vez conducen a la síntesis de moléculas más complejas.

Sistemas de fotosíntesis artificial

Carga de separación en una molécula CAROTENOPORPHYRIN-QUINONA mediante luz

La síntesis de una molécula que imita el centro de reacción en la fotosíntesis natural, se anunció en 1984 por 12 científicos de tres países. La molécula se compone de tres partes en una ‘tríada’. La porfirina en el medio atrapa la luz, al igual que P680 en el sistema natural; la porfirina excitada dona un electrón a un grupo quinona, convirtiéndose en un hueco de electrones. Antes de que el electrón puede saltar de nuevo, un β-caroteno en el otro extremo de la molécula dona un electrón rápidamente a la porfirina. El resultado es una separación de cargas que es relativamente larga vida, lo que permite más reacciones secundarias a ser explotados.

Síntesis de ATP en un sistemas parcialmente artificial mediante luz

Una reacción que explota la anterior molécula tríada implica la alineación de las moléculas de la tríada para atravesar la membrana de un liposoma (vesículas). Una quinona lipófilo en los suplentes de la membrana entre sus formas oxidada y reducida para acoplar la separación de carga a una deposición de protones en la fase acuosa interna del liposoma, que es análogo al lumen de los tilacoides. Una ATP sintasa, purificada a partir de los cloroplastos de espinaca, cataliza la producción de ATP usando el gradiente de pH (estrictamente el gradiente electroquímico de protones), establecido a través de la membrana del liposoma cuando se suministra la luz.

Minigiro – hélices del helicóptero

Un paso adicional es hacer uso de la ATP que se genera. La ATP sintasa es el motor más pequeño de la naturaleza. Se sabe que cuando se ejecuta en el modo de la hidrólisis de ATP, el ‘mando’ (F1) parte de la enzima rota. Montemagno y colaboradores anclados este rotor de proteína en una superficie, y fusionan barras de metal diminutas en el extremo del eje. Cuando se alimenta ATP exógenamente o desde el sistema de liposomas / ATP generadora descrito anteriormente, los investigadores observaron las barras de girar.

Proteína sintética redox para el estudio de transferencia de electrones entre proteínas

Dutton y colaboradores han utilizado repeticiones de la secuencia de aminoácidos (heptad) para construir una α-hélice anfipática de 7 vueltas, una longitud comparable a las hélices transmembrana de muchas proteínas de transferencia de electrones natural, con igual número de lisina cargado positivamente y negativamente cargado de residuos de glutamato dirigidos a una cara, y los grupos no polares de alanina y leucina dirigidas hacia la cara opuesta. Estas hélices se auto-ensamblan en solución acuosa para formar un haz de 4 hélices con un interior hidrófobo. Alternativamente, dos secuencias de hélice-giro-hélice se pueden montar en un haz de cuatro hélices. Además, aminoácidos (por ejemplo, histidina) pueden ser colocados estratégicamente en el interior de un paquete para asegurar los componentes redox (por ejemplo, porfirinas metálicas tales como Zn-cloro y hemes). Al reunir a socios tan redox dentro de 4-14Å, túnel del electrón rápido puede ser estudiado y comparado con la transferencia de electrones en las proteínas naturales.

Generación de energía en pilas de combustible microbiana

Un sistema semi-artificial para la generación de electricidad a partir de la glucosa ha sido ideado por Park y Zeikus. En un compartimento desde el que se excluye el oxígeno, un cultivo de células bacterianas (o un cultivo mixto de bacterias anaerobias en los lodos de aguas residuales) utiliza el poder reductor de la glucosa para reducir una molécula de colorante, rojo neutro. Reducción de moléculas de rojo neutro entregan electrones a un ánodo. En otro compartimiento, separado de la primera por una membrana selectiva para los cationes, ferricianuro se reduce a ferrocianuro en el cátodo; ferrocianuro se oxida a continuación, de nuevo a ferricianuro en la presencia de oxígeno en este compartimiento. Esta pila de 0,6 V de biocombustibles puede entregar hasta 17 mA.

Tilacoides artificiales que funcionan con electricidad

Lo contrario de la celda de biocombustible anterior, nombrada, la síntesis de hidratos de carbono de la electricidad será mucho más difícil. Esto no significa, sin embargo, que impida que nos de por especular cómo un sistema de este tipo se pueda construir algún día. En un compartimento, el agua es electrolizada en el ánodo, liberando oxígeno y protones, así como los electrones que fluyen hacia el terminal positivo de la fuente de alimentación. En el otro compartimento de NADP + se reduce a NADPH a través de las reacciones redox de acoplamiento adecuados en el cátodo, al mismo tiempo que los protones . Para formar con éxito NADPH, será necesario minimizar las reacciones secundarias indeseables, especialmente las que implican oxígeno. Posiblemente, tendrá que ser utilizado para mejorar la especificidad de las enzimas. Suponiendo que la NADPH se puede producir, a continuación, uno necesita para producir ATP también. Una consecuencia de las reacciones en ambos compartimentos es que un gradiente electroquímico de protones se establece a través de la membrana que separa los dos compartimientos. Si uno pone la ATP sintasa en la membrana en la orientación correcta, el gradiente de concentración de protones puede ser aprovechada para producir ATP en el mismo compartimiento donde se forma NADPH.

Tal célula electroquímica es esencialmente un tilacoide artificial. La diferencia es que, en lugar de utilizar la luz, la célula electroquímica utiliza electricidad para formar NADPH y ATP. Una ventaja importante de la célula electroquímica sobre el tilacoide es que la cosecha de luz, por ejemplo, mediante dispositivos fotovoltaicos extendida sobre grandes áreas en lugares remotos, puede ser separada espacialmente de la formación de NADPH y ATP que tiene lugar en un espacio confinado. El NADPH y ATP, producido en el mismo compartimiento, a continuación, se pueden utilizar para conducir la fijación de CO2 en los precursores de la síntesis de hidratos de carbono, a condición de que uno es capaz de organizar al menos a otras 15 enzimas para cooperar.

Comments are disabled