¿Qué son los fotosistemas?
Los fotosistemas son unidades funcionales del proceso fotosintético. Se definen por sus formas de asociación y organización particular de pigmentos fotosintéticos y complejos proteicos, capaces de absorber y transformar la energía lumínica en un proceso que implica la transferencia de electrones.
Se conocen dos tipos de fotosistemas, denominados fotosistemas I y II, por el orden en que fueron descubiertos. El fotosistema I presenta cantidades muy elevadas de clorofila a en comparación con la cantidad de clorofila b, mientras que el fotosistema II posee cantidades muy similares de ambos pigmentos fotosintéticos.
Los fotosistemas se ubican en las membranas tilacoides de los organismos fotosintéticos, como plantas y algas. También pueden encontrarse en las cianobacterias.
Los cloroplastos
Los cloroplastos son orgánulos esféricos o alargados, de unos 5 µm de diámetro, que contienen pigmentos fotosintéticos. En su interior sucede la fotosíntesis en las células vegetales.
Están rodeados de dos membranas externas y en su interior contienen unas estructuras en forma de saco, también rodeadas de dos membranas, denominadas tilacoides.
Los tilacoides están apilados formando un conjunto que recibe el nombre de grana, mientras que el fluido que rodea los tilacoides se llama estroma. Adicionalmente, los tilacoides están rodeados por una membrana llamada lumen, que delimita el espacio intratilacoidal.
La conversión de energía lumínica en energía química durante la fotosíntesis ocurre en el interior de las membranas de los tilacoides. Y la producción y almacenamiento de hidratos de carbono producto de la fotosíntesis ocurre en los estromas.
Los pigmentos fotosintéticos
Son proteínas capaces de absorber la energía lumínica para emplearla durante el proceso fotosintético, están total o parcialmente unidos a la membrana de los tilacoides. El pigmento involucrado directamente con las reacciones luminosas de la fotosíntesis es la clorofila.
En las plantas existen dos tipos principales de clorofila, la clorofila a y la b. Sin embargo, en algunas algas pueden presentarse otros tipos de clorofila, como la c y la d, esta última presente solo en algunas algas rojas.
Existen otros pigmentos fotosintéticos, como los carotenos y las xantofilas, que conforman los carotenoides. Estos pigmentos son isoprenoides, compuestos generalmente por 40 átomos de carbono. Los carotenos son carotenoides no oxigenados, mientras que las xantofilas son pigmentos oxigenados.
En las plantas, solo la clorofila a está involucrada directamente en las reacciones luminosas. Los pigmentos restantes no absorben directamente la energía luminosa, sino que actúan como pigmentos accesorios al transmitir la energía capturada de la luz a la clorofila a. De esta manera se captura más energía de la que pudiese captar la clorofila a por sí sola.
La fotosíntesis
La fotosíntesis es un proceso biológico que permite a las plantas, algas y algunas bacterias aprovechar la energía proveniente de la luz solar. Mediante este proceso, las plantas emplean la energía lumínica para transformar el dióxido de carbono atmosférico y el agua obtenida del suelo, en glucosa y oxígeno.
La luz provoca una serie compleja de reacciones de oxidación y reducción que permiten la transformación de la energía lumínica en energía química, necesaria para completar el proceso de fotosíntesis. Los fotosistemas son las unidades funcionales de este proceso.
Componentes de los fotosistemas
- Complejo antena. Está formado por gran cantidad de pigmentos, incluyendo cientos de moléculas de clorofila a y cantidades aún mayores de pigmentos accesorios, así como ficobilinas. El complejo antena permite que se absorba gran cantidad de energía. Funciona como un embudo o como una antena (de allí su nombre) que captura la energía proveniente del sol y la transforma en energía química, que se transfiere hacia el centro de reacción. Gracias a la transferencia de energía, la molécula de clorofila a del centro de reacción recibe mucha más energía luminosa que la que hubiese adquirido por su cuenta. Además, si la molécula de clorofila recibe demasiada iluminación, podría foto oxidarse y la planta moriría.
- Centro de reacción. Es un complejo formado por moléculas de clorofila a, una molécula conocida como receptor primario de electrones y numerosas subunidades proteicas rodeándolas.
Funcionamiento de los fotosistemas
Generalmente, la molécula de clorofila a presente en el centro de reacción, y que inicia las reacciones luminosas de la fotosíntesis, no recibe directamente los fotones. Los pigmentos accesorios, así como algunas moléculas de clorofila a presentes en el complejo antena, reciben la energía luminosa, pero no la emplean directamente.
Esta energía absorbida por el complejo antena es transferida a la clorofila a del centro de reacción. Cada vez que se activa una molécula de clorofila a, esta libera un electrón energizado que es luego absorbido por el receptor primario de electrones.
En consecuencia, el aceptor primario queda reducido, mientras que la clorofila a recupera su electrón gracias al agua, que actúa como liberador final de electrones y se obtiene el oxígeno como subproducto.
Tipos de fotosistemas
- Fotosistema I. Se encuentra en la superficie exterior de la membrana tilacoide y posee poca cantidad de clorofila b, además de clorofila a y carotenoides. La clorofila a del centro de reacción absorbe mejor las longitudes de onda de 700 nanómetros (nm), por lo cual recibe el nombre de P700 (pigmento 700). En el fotosistema I, un grupo de proteínas del grupo ferrodoxina (sulfuro de hierro) actúan como aceptores finales de electrones.
- Fotosistema II. Actúa primero en el proceso de transformación de la luz en fotosíntesis, pero fue descubierta luego del primer fotosistema. Se encuentra en la superficie interna de la membrana tilacoide y posee mayor cantidad de clorofila b que el fotosistema I. También contiene clorofila a, ficobilinas y xantofilas. En este caso, la clorofila a del centro de reacción absorbe mejor la longitud de onda de 680 nm (P680). El aceptor final de electrones en este fotosistema es una quinona.
-
- Relación entre los fotosistemas I y II. El proceso fotosintético requiere de ambos fotosistemas. El primer fotosistema en actuar es el II, el cual absorbe luz y por lo que los electrones en la clorofila del centro de reacción se excitan y los aceptadores primarios de electrones los captan. Los electrones excitados por la luz viajan al fotosistema I a través de una cadena de transporte de electrones ubicada en la membrana tilacoide. Este desplazamiento ocasiona una caída de energía que permite el transporte de iones hidrógeno (H+) a través de la membrana, hacia el lumen de los tilacoides. El transporte de iones de hidrógeno proporciona un diferencial de energía entre el espacio del lumen de los tilacoides y el estroma del cloroplasto, el cual sirve para generar ATP. La clorofila del centro de reacción del fotosistema I recibe el electrón que viene del fotosistema II. El electrón pueden continuar en un transporte cíclico de electrones alrededor del fotosistema I, o ser usado para formar NADPH, el cual es transportado luego al ciclo de Calvin.
Referencias
- M.W. Nabors. Introduction to Botany. Pearson Education.
- Photosystem. Recuperado de en.wikipedia.org.
- Photosystem I. Recuperado de en.wikipedia.org.
- Photosynthesis – Photosystems I and II. Recuperado de britannica.com.
- B. Andersson & L.G. Franzen. The photosystems of oxygenic photosynthesis. En: L. Ernster (Ed.). Molecular mechanisms in bioenergetics. Elvieser Science.