Clorofila y Fotosintesis

Verde que te quiero verde

Todos nosotros, amantes de las plantas, damos por hecho que los vegetales son verdes en su inmensa mayoría, pero somos muy conscientes de las coloraciones varias que nos ofrecen sus flores y frutos y que en algunas épocas del año el verde pareciera desaparecer para dar paso a los colores rojizos del otoño.

Entonces la pregunta del millón seria “por que verdes ?“

Los colores de los vegetales y las algas (el verde de las hojas, el amarillo, rojo, azul, etc de las flores, el naranja de la zanahoria, el rojo oscuro de la remolacha etc.) se deben a unas sustancias llamadas pigmentos. Lo que les da su color a las hojas verdes es el pigmento Clorofila. Hay otros pigmentos que dan tonalidades rojas, moradas, naranjas o amarillas, como los carotenos o las xantofilas. Estos pigmentos de colores están siempre presentes en las hojas, pero que, al combinarse entre sí, dependiendo de las cantidades, las hojas toman un color u otro. En el otoño decrece la producción de clorofila y por eso aparecen los tonos amarillos o rojos.

Las plantas y las algas contienen una gran variedad de pigmentos que dan lugar a los colores que en ellas observamos.

Estos pigmentos son: clorofila-a (verde intenso), clorofila-b (verde), carotenos (naranja), xantofilas (amarillo), antocianinas (rojizo, púrpura o azulado) y las ficobilinas (rojo), la malvidina da color purpúreo, los flavenoles dan amarillo o marfil, la delfinidina, azul, la cianidina, violeta, la pelargonidina, rojo y salmón etc.  El color particular que presenta un alga o un órgano vegetal depende generalmente del predominio de uno u otro pigmento o la combinación de ellos.

Estos pigmentos son hidrosolubles en el líquido o jugo vacuolar de las células, y de considerable importancia para la planta en la producción del color de las flores, frutos, arilos, de la pigmentación otoñal de las hojas, etc. Las antocianinas colorean las vacuolas según el pH del contenido, en rojo (acido), violeta (neutro) o azul (alcalino) y son por lo tanto parecidas al papel reactivo de tornasol.

La coloración roja de las hojas, por el pigmento antocianina ocurre con relativa frecuencia en menor o mayor grado en géneros de árboles como Amherstia, Andira, Bombax, Brownea, Calophyllum, Cecropia, Ceiba, Cinnamomum, Coccoloba, Diospyrus, Eugenia, Gustavia, Lophira, Mangifera, Mesua, Pachira, Persea, Saraca, Triplaris. Luego hay plantas como Acalypha, muchas especies de las Araceae, las espectaculares familias Bromeliaceae, Marantaceae, Liliaceae, Euphorbiaceae.

Algunos autores indican otros componentes que influyen en la pigmentación, por ejemplo, los carotenoides, que, a diferencia de las antocianinas, no son solubles en agua, sino que, como las clorofilas, están adosados a las proteínas de los cloroplastos.

El color de las plantas depende directamente de los pigmentos que contenga y que está directamente relacionados con la absorción de la luz para realizar la fotosíntesis. Un pigmento es cualquier sustancia que absorba luz. Algunos pigmentos absorben luz de todas las longitudes de onda y, por tanto, parecen negros. Otros solamente absorben ciertas longitudes de onda, transmitiendo o reflejando las longitudes de onda que no absorben. La clorofila, el pigmento que hace que las hojas sean verdes, absorbe luz en las longitudes de onda violeta, azul y también en el rojo; dado que refleja la luz verde, parece verde. Diferentes pigmentos absorben energía lumínica a diferentes longitudes de onda. El patrón de absorción de un pigmento se conoce como el espectro de absorción de esa sustancia.

En las plantas, las moléculas capaces de absorber luz de ciertos colores y reflejar la otros se llaman cromóforo y están unidos a moléculas de proteínas que les modifican un poco el color de luz absorbido. A este complejo formado por cromóforo + proteína se lo llama pigmento, a los fines de este texto trataremos a los cromóforo con el nombre de «pigmentos”

Diferentes grupos de plantas y algas usan varios pigmentos en la fotosíntesis, que son los que determinan el color de las plantas, de sus diferentes estructuras o en función de la estación del año en la que nos encontremos. Hay varios tipos diferentes de clorofila, que varían ligeramente en su estructura molecular. En las plantas, la clorofila a es el pigmento implicado directamente en la transformación de la energía lumínica en energía química. La mayoría de las células fotosintéticas también contienen otro tipo de clorofila, la clorofila b, y un representante de otro grupo de pigmentos llamados carotenoides. Uno de estos es el beta-caroteno. Estos pigmentos carotenoides son rojos, anaranjados o amarillos. En la hoja verde están enmascarados por las clorofilas, que son más abundantes.

En algunos tejidos sin embargo, como los del tomate maduro, predominan los colores de carotenoide. Lo mismo ocurre en las hojas en otoño, ya que en esta época disminuye la sintetizacion de clorofila y surge el color carotenoide. Puntualmente en el tomate, el carotenoide que le da su color rojo caracteristico es el Licopeno, compuesto antioxidante muy beneficioso para la salud humana.

El cloroplasto y su función en el color de las plantas

Los cloroplastos son minúsculas fabricas dentro de las células vegetales que toman la energía de la luz solar y la utilizan para hacer el alimento de la planta. El alimento puede ser utilizado inmediatamente para dar energía a las células o puede almacenarse como azúcar o almidón. Si se almacena, puede ser usado cuando la planta necesite realizar trabajo específico, como desarrollar una nueva rama o producir una flor

Los cloroplastos se ocupan de la fotosíntesis, y en ellos es donde se almacena la clorofila y el resto de pigmentos. Están limitados por una envoltura formada por dos membranas concéntricas y contienen vesículas, los tilacoides, donde se encuentran organizados los pigmentos y demás moléculas que convierten la energía lumínica en energía química

Cuando la luz solar (que es la suma de los diversos colores), incide sobre un objeto, algunos de esos colores son absorbidos y otros reflejados, de forma que solo vemos los objetos del color que se refleja.  Por lo tanto, si vemos a las plantas de color verde es porque éstas (y en particular la clorofila) reflejan precisamente la luz de color verde.
El color de una sustancia puede parecer un detalle casual, pero, ¿por qué una molécula cuya misión es absorber luz rechaza parte de esa energía? Para comprender mejor el proceso de la fotosíntesis y su relación con la luz, debemos recordar algunos conceptos:

La luz es una forma de energía electromagnética. Los rayos gamma, los rayos X, los rayos ultravioletas, los infrarrojos, las ondas de radio o las microondas de los hornos domésticos son otros tipos de energía electromagnética. Como sabemos, la luz, (al igual el resto de radiaciones electromagnéticas) está formada por unas partículas llamadas fotones.

Los fotones surgen cuando se producen movimientos de cargas eléctricas. Al ser producidos, cada uno de ellos se desplaza en una dirección determinada siempre a la misma velocidad y pueden hacerlo a través del vacío (a unos 300.000 km/s). Pero los fotones no son partículas de materia, no poseen masa, ni carga eléctrica, ni se puede estimar su tamaño. Los fotones son más bien paquetes indivisibles (cuantos) de energía, más que partículas materiales como las que estamos acostumbrados a manejar. A pesar de ello, cuando chocan contra algún objeto se comportan como si fueran partículas de materia: Transmiten su energía, se desvían y rebotan, exactamente a como lo harían, por ejemplo, las bolas de billar.

Los fotones de luz visible poseen longitudes de onda, comprendidas entre los 400 y 700 nanómetros Cuando estos fotones de luz pasan a través de las pupilas de nuestros ojos y llegan hasta la retina, ésta envía una señal al cerebro que al ser interpretada genera lo que llamamos visión. Lo curioso es que nuestra retina (y nuestro cerebro) es capaz de diferenciar unos fotones de otros según su longitud de onda y en nuestra imagen visual estas diferencias de longitud de onda se representan como… ¡colores!. Si los fotones que entran en nuestros ojos tiene una longitud de onda de unos 700 nm veremos la imagen de color rojo, pero si son de unos 450 nm la veremos azul. Los fotones «azules» son más energéticos que los «rojos» porque su longitud de onda es menor. A cada color, por tanto, le corresponden fotones de una determinada longitud de onda y esta es una forma objetiva y útil que tiene los científicos de manejar la luz.

Espectro de la luz visible por ojo humano

La Fotosíntesis.

Ya sabemos que es un proceso complejo que engloba, a su vez, otros subprocesos sorprendentes. Uno de ellos es la capacidad de absorber energía luminosa y transformarla en energía química. En este proceso, la clorofila juega un papel crucial porque puede absorber la energía de determinados fotones que llegan hasta ella y transmitirla a un sistema capaz de transformarlo en energía química. En realidad, sería más correcto hablar de clorofilas, porque existe más de un tipo, cada una con ligeras diferencias de estructura y absorción. No obstante, para simplificar, nombraremos a las diferentes clorofilas como si fueran una sola.

Ahora bien, la clorofila sólo es capaz de absorber de forma eficiente fotones de luz y, en realidad, no todos. Hay un buen motivo para absorber precisamente la parte «visible» del espectro electromagnético: La luz visible junto con la infrarroja constituye la mayor parte de la radiación que llega a la superficie terrestre procedente del Sol. Algunos de los gases que componen la atmósfera como el ozono o el vapor de agua se encargan de absorber buena parte de la radiación fuera del espectro visible antes de que pueda tocar la superficie del planeta.

Y aquí viene lo llamativo: La clorofila sólo absorbe fotones de unos colores y no de otros. En concreto, absorbe fotones «rojos» y «azules» sobre todo, pero no los «verdes». Los fotones «verdes» son reflejados por la clorofila y son los responsables del color que tienen las plantas. Esto significa que las plantas no absorben ni aprovechan una parte de la energía luminosa que llega hasta ellas.

Entonces: ¿por qué la Naturaleza no ha diseñado una molécula o un conjunto de ellas capaz de absorber y aprovechar para la fotosíntesis todo el espectro de colores? Los científicos argumentan que la respuesta está en el tipo de radiación que nos llega del Sol. La luz del Sol es muy rica en fotones rojos, menos de fotones verdes y menos aún de fotones «azules», pero los fotones «azules» son muy energéticos (para ser fotones de luz) y, por tanto, muy eficaces para «activar» la clorofila. Así pues, parece que, a lo largo de la evolución, las plantas han seleccionado los fotones rojos por su abundante número y los azules por su alta energía. En esta situación, los fotones verdes, que no son los más abundantes en número, ni los más energéticos, son reflejados en el proceso, dando lugar al color verde de las plantas.

Reflexion de la luz visible

Entra una energía y sale otra

Las reacciones dependientes de la luz tienen lugar en la membrana de los tilacoides, dentro de los cloroplastos, y por lógica, estas reacciones necesitan luz para funcionar. Recordemos que la principal finalidad de la fotosíntesis es convertir la energía de la luz solar en otra forma de energía

Las plantas no pueden usar directamente la energía de la luz para fabricar alimento, por ello, las plantas cambian la energía lumínica en energía química, la cual pueden utilizar

 La energía química que usan las plantas está almacenada en el ATP y NADPH, (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato en su forma reducida) que son dos tipos de moléculas transportadoras de energía. Estas dos moléculas intervienen en la fase oscura de la fotosíntesis (ciclo de Calvin), en la que se fija el dióxido de carbono (CO2); el NADPH se genera durante la fase luminosa.

La fase oscura, biosintética o asimilatoria de la fotosíntesis es un conjunto de reacciones que ocurre en la noche y que convierten el dióxido de carbono y otros compuestos en glucosa. Estas reacciones, a diferencia de las reacciones lumínicas (fase luminosa o fase clara), no requieren la luz para producirse, de ahí el nombre de reacciones oscuras. Estas reacciones toman los productos de la fase luminosa (principalmente el ATP y NADPH) y realizan más procesos químicos sobre ellos. Las reacciones oscuras son dos: la fijación del carbono y el Ciclo de Calvin.

Las plantas necesitan agua para fabricar NADPH. Esta agua se disocia para liberar los electrones (partículas subatómicas cargadas negativamente). Cuando el agua se disocia también se libera el oxígeno a la atmosfera, un gas que todos respiramos.

Los electrones deben viajar a través de unas proteínas especiales fijadas en la membrana de los tilacoides. Pasan a través de la primera proteína especial (la proteína fotosistema II) y continúan por la cadena transportadora de electrones. Después pasan a través de la segunda proteína especial (proteína fotosistema I).

Mientras están en los fotosistemas II y I los electrones obtienen energía de la luz solar, para ello la clorofila, que está presente en los fotosistemas, absorbe la energía lumínica. Los electrones energizados se usan entonces para fabricar NADPH.

La cadena transportadora de electrones es una serie de moléculas que captan o ceden electrones con facilidad. Moviéndose paso a paso por ella, los electrones se mueven en una dirección específica a través de una membrana. El movimiento de iones de hidrógeno está acoplado a esto. Esto significa que cuando se mueven los electrones, los iones de hidrógeno también se mueven.

El ATP se crea cuando los iones de hidrógeno son introducidos al espacio interior (lumen) del tilacoides. Los iones de hidrógeno tienen carga positiva. Como en los imanes, las cargas del mismo signo se repelan, por lo que los iones de hidrógeno quieren separarse unos de otros. Escapan del tilacoide a través de una proteína de membrana llamada ATP sintasa. Moviéndose a través de la proteína le dan energía, como el agua pasando por una represa. Cuando los iones de hidrógeno se mueven por la proteína y por la cadena transportadora de electrones, se crea ATP. Así es cómo las plantas convierten la luz solar en energía química que pueden utilizar.

El ciclo de Calvin: construyendo vida a partir del aire

El aire contiene diferentes elementos como oxígeno, carbono y nitrógeno. Estos elementos construyen moléculas como el dióxido de carbono (CO2). El dióxido de carbono está formado de un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno. Las plantas toman el átomo de carbono y lo usan para fabricar azúcares y liberan al exterior el oxígeno tan necesario para la vida animal.

Esto se hace utilizando el ciclo de Calvin que ocurre dentro de los cloroplastos, pero fuera de los tilacoides (donde se crea el ATP). El ATP y el NADPH de las reacciones dependientes de la luz se usan en este ciclo.

La proteína RuBisCO también ayuda en el proceso de convertir el carbono del aire en azúcares. La RuBisCO trabaja despacio, por lo que las plantas necesitan mucha cantidad.


La RuBisCO, (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa), es una enzima que se encuentra en los cloroplastos de los organismos autótrofos (Los organismos autótrofos son los que tienen la capacidad de producir sus propios alimentos a partir de sustancias inorgánicas, por ello se los conoce también como organismos productores o simplemente vegetales). Esta enzima RuBisCO tiene un doble comportamiento que justifica su nombre, catalizando dos procesos opuestos. Primero, la fijación del CO2 a una forma orgánica, lo que justifica su clasificación como carboxilasa. Segundo, la fotorrespiración, en la que actúa como oxigenasa del mismo sustrato. La RuBisCo es la enzima proteínica más abundante en la biosfera.

Los productos del ciclo de Calvin se usan para fabricar el azúcar simple llamado glucosa. La glucosa se usa para hacer azúcares más complejos como el almidón y la celulosa. El almidón almacena energía para la planta y la celulosa es el material del que están hechas las plantas.

Es importante destacar que los organismos autótrofos son primarios, es decir, fueron los primeros seres vivos en habitar la Tierra, de composición simple y dependientes de la luz solar para vivir. Luego, a partir de éstos y mediante el ciclo de Calvin, fueron aportando oxígeno a la atmosfera durante eones, generando condiciones favorables para las demás formas de vida que fueron poblando el planeta.

Bibliografia consultada

Curtis & Barnes.  “Biología en contexto social” 7ma edición.”

Karp, Gerald. «Biología Celular y Molecular: Conceptos y Experimentos».

Naturalmente, ciencias. El blog del profesor Mc Manus. https://naturalmenteciencias.wordpress.com/

https://es.wikipedia.org/wiki/Fase_oscura

https://es.wikipedia.org/wiki/RuBisCO

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