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lunes, 8 de febrero de 2010

Fotosíntesis = Evolución + Teoría Cuántica

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Lo que denominamos fotosíntesis en realidad son dos procesos acoplados. El esquema representa a un cloroplasto, pero también podría valer para explicar lo que ocurre en el interior de una cianobacteria. A la izquierda tenemos la denominada Fase Luminosa en la que la energía de la luz es transformada en energía química. En la parte de la derecha tenemos la Fase Oscura donde se aprovecha la energía química para reducir el CO2 a hidratos de carbono. En las plantas, algas y cianobacterias el donador de electrones e hidrógenos es el agua y por ello se consigue la fotolisis del agua obteniéndose oxígeno como producto residual, por ello se habla de fotosíntesis oxigénica. En otros seres vivos como las bacterias verdes, fotosíntéticos ese donador es distinto y no se produce oxígeno, por lo que se denomina fotosíntesis anoxigénica. (Fuente)


La fotosíntesis permite que ciertos seres vivos, como las plantas, las algas y algunas bacterias, transformen la energía luminosa en energía química. Esa transformación se consigue gracias a los llamados pigmentos fotosíntéticos. El más conocido es la clorofila de las plantas, pero el más abundante es la bacterioclorofila de las bacterias, aunque hay más tipos de pigmentos como las ficobilinas y los carotenos. A nivel molecular el aparato fotosintético consiste en unas 300 moléculas de pigmentos asociados a unas proteínas y dispuestos de una forma bastante especial.



El proceso por el cual la energía de un fotón se transforma en energía química es un ejemplo de cómo aprovechan los seres vivos la física y la química cuántica. Podemos imaginarnos a esos aparatos fotosíntéticos como una especie de embudo con una trampilla en su parte estrecha. La luz sería la lluvia. La trampilla al final del embudo sólo se abre si se acumulan un determinado número de gotas de agua. Una gota en caída libre no tiene suficiente fuerza para abrir la trampilla aunque cayera sobre ella. Cuando se abre la trampilla es cuando hemos conseguido transformar la energía luminosa en energía química.


En la parte ancha del embudo tendríamos lo que se conoce como la antena. La función de los pigmentos allí presentes es capturar fotones. Si una molécula de clorofila absorbe un fotón lo que le ocurre es que pasa a un estado excitado. Eso quiere decir que un electrón ha pasado a un nivel de energía mayor. Pero ese estado excitado es inestable, por lo que el electrón vuelve a su sitio y al hacerlo la molécula de clorofila cede energía que se transfiere a otro pigmento de la antena. Aunque la energía transferida es menor que la que tenía inicialmente el fotón absorbido, la antena consigue que la energía capturada por las diferentes moléculas de clorofila se vea canalizada hacia el centro de reacción, que se encontraría en la parte estrecha del embudo. En ese centro hay dos moléculas de clorofila y son las responsables de la conversión de la energía luminosa en energía química, bien en forma de ATP o bien en forma de un gradiente quimiosmótico de protones. La forma de hacerlo es simple. Cuando le llega la suficiente energía el centro de reacción se ioniza porque se consigue que uno de sus electrones tenga tanta energía que se ve liberado de la molécula a la que pertenece (esto sería la apertura de la trampilla del embudo). Como los pigmentos fotosintéticos se encuentran en una membrana y la separación de cargas ocurre en una de las caras de dicha membrana, lo que tenemos es un gradiente electroquímico, cuya energía puede ser aprovechada por la célula. Esta transferencia de energía está cercana a la eficiencia perfecta. No en vano el proceso ha estado sometido a la presión de la evolución por unos cuantos miles de millones de años.




Esquema del funcionamiento de un Fotosistema. Los pigmentos de la antena son los que captan fotones y canalizan la energía hacia el centro de reacción. (Fuente).


Pero más de uno se ha hecho la siguiente pregunta ¿Por qué la evolución no ha hecho más eficiente al centro de reacción y así hacer que la antena deje de ser necesaria? Volviendo a la analogía del embudo, porqué no crear una trampilla que pueda abrirse con un sólo fotón. Las células no tendrían que gastar recursos en sintetizar los pigmentos y proteínas de la antena. Hay varios motivos para ello.


El primero es que no siempre hay toda la luz que uno quiere. La fotosíntesis debe de funcionar con niveles de luz bajos que generan menos de una excitación electrónica por molécula de clorofila por segundo. La segunda es que las reacciones bioquímicas con las que está asocida la fotosíntesis requieren de varios eventos de transferencia electrónica. Por ejemplo, en la fotosíntesis de las cianobacterias y de las plantas se consigue tanta energía que puede romperse la molécula de agua en protones, electrones y oxígeno molecular. Pero para realizar dicha fotolisis se necesita en un momento dado la energía acumulada de cuatro fotosistemas. Adicionalmente, los fotosistemas permiten modular la cantidad de luz absorbida (lo que se conoce como apagamiento o quenching) evitando daños a la célula.


Finalmente, fabricar un centro de reacción es muy caro. Si un centro de reacción funcionase con un sólo fotón significaría que ese centro de reacción solo reconocería una determinada longitud de onda y no otra. La luz blanca está compuesta por fotones de distintas longitudes de onda. eso significaría que la célula debería fabricar centros de reacción para la luz roja, la luz amarilla, la luz azul, etc. La composición de los pigmentos de la antena permite que pueda haber varios tipos de pigmento que absorban a diferentes longitudes de onda, por lo que el centro de reacción puede ser usado con independencia del tipo de luz.


Es decir, la antena es una solución mucho más versatil y económica que tener simplemente centros de reacción. Así que la siguiente cuestión es ¿cómo han llegado a ser tan eficientes? Por el segundo principio de la termodinámica sabemos que cuando hay una transferencia de energía ésta no es completa. Siempre hay una perdida. Cuanto menor sea esa pérdida muchísimo mayor es la eficiencia del proceso. La fotosíntesis es uno de los procesos más eficientes desde el punto de vista energético. Nunca es menor del 90%. Y eso se consigue gracias a la combinación de varios factores.


El primer factor es que la disposición espacial de las moléculas de pigmento es óptima. Lo suficientemente cerca para permitir la transferencia de energía pero lo suficientemente lejos como para evitar la superposición de orbitales electrónicos que podrían quenchear los estados excitados. El segundo factor es que la organización supramolecular del fotosistema permite una gran cantidad de pautas de conexión para liberar la energía al centro de reacción. El tercer factor ha sido descrito recientemente en un artículo de la revista Nature. Un grupo de investigadores de la Universidad de Toronto han encontrado que las moléculas de pigmento se "cablean" entre sí gracias al fenómeno de coherencia cuántica.




Chroomonas, un alga criptofita (fuente 1 y 2)


Los investigadores han estudiado dos clases de complejos de antena que se encuentran en las algas criptofitas, unas algas eucariotas que viven en aguas dulces y marinas. Las diferentes especies de estas algas presentan antenas con una gran variación en el espectro de absorción de la luz. El principal pigmento fotosintético que contienen es la bilina, y son capaces de modularlo para que absorba a distintas longitudes de onda. Lo que hicieron fue excitar dichos complejos usando pulsos de laser de 25 femtosegundos (1 femtosegundo o fs es 10-15 segundos). De esa forma crearon una superposición de estados electrónicos excitados conocido como un paquete de onda, que evoluciona en el tiempo de acuerdo con la ley de la mecánica cuántica. Estas leyes predicen que un paquete de ondas se comportará de un modo oscilante entre las posiciones a las cuales la excitación está localizada, con distintas correlaciones y anti-correlaciones en fase y amplitud. Sería semejante a una colección de péndulos oscilando de forma coherente. Pero este comportamiento colectivo se va disipando debido a las intereacciones entre las moléculas y el "ruido" molecular debido al ambiente proteico donde se encuentran los pigmentos.



El Fotosistema de la bacteria Rhodopseudomonas acidophila contiene 18 moléculas de pigmento que se disponen formando un círculo. Las moléculas se excitan tras la abosrción de fotones. En el gráfico se muestra la evolución en el tiempo de la probabilidad de que se de una excitación en una determinada posición del complejo tras una excitación con un pulso de láser en el tiempo cero. La probabilidad se representa con la intensidad del color, siendo el azul oscuro el valor de probabilidad cero y el color rojo la probabilidad máxima. El número de cada molécula del anillo está indicado en la parte de abajo. Puede observarse que la excitación oscila entre pequeños grupos de moléculas (círculos blancos)con un período de 350 fs, lo cual es una manifestación del fenómeno de coherencia cuántica. (Fuente)



Ese comportamiento oscilante en respuesta a una excitación laser se había observado antes en una especie pertenceciente a las bacterias verdes del azufre. Sin embargo, dichos experimentos fueron realizados a temperaturas de 77 grados Kelvin, (aproximadamente -196º C). De esa forma se minimizaba la interacción de los pigmentos con otras moléculas de su ambiente y se forzaba a que ocurriesen estos efectos cuánticos. Los actuales experimentos se han realizado a temperatura ambiente, con lo que el fenómeno de coherencia cuantica sucede en condiciones normales. Además han encontrado otros fenómenos. Las oscilaciones debidas a la coherencia cuántica son bastante largas (en el rango de los 400 fs) y afecta a moléculas bastante alejadas entre sí.


¿Que significa esto en términos prácticos? La coherencia cuantica permite que el fotosistema "memorice" el estado de excitación. Así que la transferencia de energía entre las moléculas de pigmento no se produce por saltos al azar, sino que se consigue direccionar preferentemente hacia el centro de reacción, lo que aumenta la eficacia. Para entenderlo volvamos al ejemplo del embudo y la lluvia. Sin coherencia cuantica las paredes del embudo son lisas. Imaginemos que cae una gota y choca con esas paredes lisas. Lo normal es que una vez choque con las paredes, la gota se resbale hacia abajo. Pero por azar podría suceder que la gota golpeara de tal forma que salpicara hacia arriba, perdiendose su energía. Con la coherencia cuantica, las paredes del embudo no son lisas sino que tienen unas canaladuras que obligan a cualquier gota que caiga a ir hacia abajo, nunca salpicarían hacia arriba.


¿Cómo ha conseguido este alga dicha coherencia cuantica en sus fotosistemas? Pues uniendo covalentemente los pigmentos de bilina a las proteínas del complejo. Los investigadores también proponen que la coherencia cuantica también podría "cablear" los aceptores finales de la energía en este tipo de fotosistemas, compensando los débiles acoplamientos electrónicos que se observa entre los pigmentos del complejo.



Modelo estructural de la antena de Chroococcus. Las ocho moléculas de pigmento están coloreadas de rojo, azul y verde. Son diferentes pigmentos por lo que este fotosistema puede absorber fotones con distintas longitudes de onda.(Fuente)



Referencias:

Grondelle y Novoderezhkin 2010
Collini et al. 2010


ResearchBlogging.orgCollini E, Wong CY, Wilk KE, Curmi PM, Brumer P, & Scholes GD (2010). Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature, 463 (7281), 644-7 PMID: 20130647




Esta entrada ha participado en la 4ª edición de "El carnaval de la física"


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2 comentarios:

Angel dijo...

Magnífico post, un buen trabajo.

Manuel Sánchez dijo...

Muchas gracias Angel