FENOMENO FOTOQUIMICO
La fotoquímica, una subdisciplina de la química, es el estudio de las interacciones entre átomos, moléculas pequeñas, y la luz (o radiación electromagnética).
El fenómeno fotoquímico precisa de fases principales:
1. Recepción de la energía luminosa
2. Reacción química propiamente dicha.
Según se opere con una sustancia única o con un sistema de varios cuerpos en presencia, se realizará, bien una descomposición de la sustancia en sus elementos (fotólisis), bien una combinación de varios cuerpos en uno solo (fotosíntesis).
Se conocen tres leyes fundamentales para este fenómeno:
1. Ley de absorción de Grotthus-Draper: Una radiación no puede provocar acción química más que si es absorbida por un cuerpo (o un sistema de cuerpos); si no, no puede haber transmisión de energía luminosa.
2. Ley energética: Para que una radiación luminosa actúe eficazmente, debe poseer una energía, por lo menos, igual a la necesaria para la transformación química.
3. Ley de la equivalencia fotoquímica (o ley de Einstein): A cada fotón absorbido, corresponde una molécula descompuesta o combinada.
PIGMENTOS ANTENA Y CAPTACIÓN DE LUZ
En el cloroplasto, los pigmentos están estrechamente asociados a proteínas y se alojan en la bicapa lipídica de los tilacoides. Según el modelo admitido actualmente, estos complejos proteína-clorofila se encuentran empaquetados formando unidades denominadas fotosistemas. Cada unidad contiene de 200 a 400 moléculas de pigmento que tienen por finalidad captar la luz como una antena, forman el llamado complejo antena. Cuando la energía de la luz se absorbe por uno de los pigmentos de la antena, pasa de una molécula a otra de pigmento del fotosistema hasta que alcanza una forma especial de clorofila a que constituye el centro de reacción del fotosistema.
Los pigmentos antena son los encargados de absorber la energía lumínica y transferirla por resonancia al centro de reacción. Al recibir esta energía, la clorofila del centro de reacción pierde un electrón, que es transferido a una serie de transportadores de electrones. Los transportadores actúan en cadena, captando el electrón (y por tanto reduciéndose) y seguidamente cediéndolo (y por tanto oxidándolo) a la siguiente molécula.
También los carotenoides, que se encuentran íntimamente asociados con las clorofilas de los complejos antena, captan energía en sus longitudes de onda características y la transfieren a las clorofilas (aunque con menos eficiencia); tienen además una función protectora, ya que absorben excesos de energía que podrían dar lugar a la formación de compuestos nocivos.
Cuando incide un fotón sobre un electrón de un pigmento fotosintético de antena, el electrón capta la energía del fotón y asciende a posiciones más alejadas del núcleo atómico. En el supuesto caso de que el pigmento estuviese aislado, al descender al nivel inicial, la energía captada se liberaría en forma de calor o de radiación de mayor longitud de onda (fluorescencia). Sin embargo, al existir diversos tipos de pigmentos muy próximos, la energía de excitación captada por un determinado pigmento puede ser transferida a otro al que se induce el estado de excitación. Este fenómeno se produce gracias a un estado de resonancia entre la molécula dadora relajada y la aceptora. Para ello se necesita que el espectro de emisión del primero coincida, al menos en parte, con el de absorción del segundo. Los excitones se transfieren siempre hacia los pigmentos que absorben a mayor longitud de onda, continuando el proceso hasta alcanzar el pigmento fotosintético diana.
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES FOTOSINTETICOS
La cadena de transportes de electrones es semejante a la de las mitocondrias. Los transportadores de electrones contienen iones metálicos que sufen óxido-reducciones. Esta cadena va en contra del potencial de reducción por lo que necesita una energía que será aportada por la luz. Los transportadores serán los mismos que en el tema anterior pero ahora serán capaces de captar la luz, estos pigmentos forman parte de los complejos llamados fotosistemas. Gracias a los fotosistemas todos los tramos de la cadena van en contra del potencial de reducción (hace que aumente).
En la fosforilación oxidativa, los electrones son transferidos desde un donador de electrones de alta energía a un aceptor a través de una cadena de transporte de electrones. En la fotofosforilación, la energía de la luz solar es usada para crear un donador de electrones altamente energético y un aceptor de esos electrones. Los electrones son transferidos desde el donador hasta el aceptor por una cadena de transporte totalmente diferente a la observada en las mitocondrias. La cadena de transporte de electrones fotosintética tiene varias similitudes con la cadena oxidativa. Tienen transportadores móviles, transportadores liposolubles y móviles, transportadores hidrosolubles y bombas de protones, que se encargan de generar el gradiente electroquímico.
EVOLUCIÓN DE LA RESPIRACIÓN Y FOTOSINTESIS
La evolución del proceso de la fotosíntesis, ha tenido profundas consecuencias, al hacer posible la captura de la energía proveniente de la luz solar. Literalmente la fotosíntesis ha alterado la faz del planeta, transformando la composición de la atmósfera y cubriendo la superficie de la Tierra con un escudo protector de las letales radiaciones ultravioletas, que cada día están llegando del sol.Sin la fotosíntesis, habría muy poco oxígeno en la atmósfera y no existirían las plantas ni los animales. Sólo existirían algunos microbios, como ocurrió en el comienzo de los tiempos, que tendrían una magra existencia en la sopa primordial de CO2 y minerales. Gracias a la fotosíntesis se produjo oxígeno y a partir de ello, fue posible el desarrollo de las diferentes etapas evolutivas, hasta llegar a la vida compleja.
Antes de la fotosíntesis, la vida consistía sólo de microbios unicelulares, cuya fuente de energía la obtenían de químicos, como azufre, hierro y metano. Hace unos 3.5 mil millones de años, o quizás antes, un grupo de microbios desarrolló la capacidad de capturar energía de la luz solar para producir hidratos de carbono que lo necesitaban para crecer y disponer de combustible. No está claro como lo lograron, pero estudios genéticos sugieren que el aparato captador de luz evolucionó de una proteína, cuya función era transferir energía entre las moléculas. Con ello llegó la "fotosíntesis" (Combustible para la Vida, Energía Solar).
Pero en la temprana versión del proceso, no se produjo oxígeno. En ese entonces se usó como ingredientes primarios, sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono, generando como productos finales, hidratos de carbono y azufre (El Hidrógeno en el inicio de la vida). Después de algún tiempo, evolucionó un nuevo tipo de fotosíntesis que utilizó un recurso diferente, "agua", generando oxígeno como subproducto.
En esos primitivos días, el oxígeno era venenoso para la
vida. Pero se concentró en la atmósfera hasta que algunos microbios fueron capaces de desarrollar mecanismos para tolerarlo, y eventualmente descubrir vías para utilizarlo en el desarrollo de fuentes de energía. Esto fue también un punto muy importante: "usando el oxigeno para quemar carbohidratos para producir energía, es 18 veces más eficiente que hacerlo sin oxigeno”.Desde ese momento la vida en la Tierra adquirió gran fuerza, llevando al desarrollo de formas multicelulares, incluyendo las plantas, las que lograron sus aparatos fotosintéticos facilitados por bacterias fotosintéticas, llamadas cianobacterias. Hoy en día, directa o indirectamente, toda la energía que se produce en la Tierra proviene del proceso fotosintético.
El oxígeno, al mismo tiempo que provee un medio eficiente para quemar combustible, ayuda también a proteger la vida. La Tierra está bajo un constante bombardeo de radiaciones ultravioletas que provienen del sol. Un sub-producto de la atmósfera oxigenada es la capa de ozono que se extiende entre 20 a 60 kilómetros sobre la superficie de la Tierra y que tiene la propiedad de filtrar la mayor parte de los letales rayos ultravioletas. Este paraguas protector permitió que escapara la vida del santuario de los océanos y llegara a colonizar la tierra seca.
Ahora, virtualmente todo proceso bioquímico en el planeta, es en último término dependiente de la captura de la energía solar. Pegue una profunda inspiración y agradezca el oxígeno que llega a sus pulmones, a los microbios que desarrollaron el proceso bioquímico necesario para su presencia en la atmósfera.
BIBLIOGRAFÍA
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