Clorofila: qué es, cómo funciona y su papel en la fotosíntesis

La clorofila es necesaria para la fotosíntesis, que permite a las plantas obtener energía de la luz.

Las moléculas de clorofila están dispuestas dentro y alrededor de las membranas de los cloroplastos. Cumple dos funciones principales. La función de la mayoría de la clorofila (hasta varios cientos de moléculas por fotosistema) es absorber la luz y transferir esa energía luminosa a los centros de reacción. Estos pigmentos reciben el nombre de la longitud de onda (en nanómetros) de su máximo de absorción en rojo. Estos pigmentos de clorofila pueden separarse en un sencillo experimento de cromatografía en papel.

La función del centro de reacción de la clorofila es utilizar la energía que se le transfiere desde los otros pigmentos de la clorofila para experimentar una reacción redox específica. En esta reacción la clorofila cede un electrón a una cadena de transporte de electrones. Esta reacción es la forma en que los organismos fotosintéticos como las plantas producen el gas O₂ , y es la fuente de prácticamente todo el O₂ de la atmósfera terrestre. El Fotosistema I suele trabajar en serie con el Fotosistema II.

El flujo de electrones producido por los pigmentos de la clorofila del centro de reacción se utiliza para transportar iones H⁺ a través de la membrana, estableciendo un potencial quimiosmótico utilizado principalmente para producir energía química ATP; y esos electrones reducen finalmente el NADP⁺ a NADPH, un reductor universal utilizado para reducir el CO₂ en azúcares, así como para otras reducciones biosintéticas.

Se ha descubierto que una babosa marina verde, Elysia chlorotica, utiliza la clorofila que ha comido para realizar la fotosíntesis por sí misma. Este proceso se conoce como cleptoplastia, y no se ha encontrado ningún otro animal con esta capacidad.

¿Por qué verde y no negro?

Todavía no está claro por qué las plantas han evolucionado mayoritariamente hacia el verde. Las plantas verdes reflejan principalmente la luz verde y casi verde en lugar de absorberla. Otras partes del sistema de fotosíntesis siguen permitiendo a las plantas verdes utilizar el espectro de luz verde (por ejemplo, mediante una estructura foliar que atrapa la luz, carotenoides, etc.). Las plantas verdes no utilizan una gran parte del espectro visible de la forma más eficiente posible. Una planta negra puede absorber más radiación, lo que podría ser muy útil, sin tener en cuenta los problemas para deshacerse de este calor extra (por ejemplo, algunas plantas deben cerrar sus aberturas, llamadas estomas, en los días calurosos para no perder demasiada agua). Más concretamente, la cuestión es por qué la única molécula que absorbe la luz y que se utiliza para dar energía a las plantas es verde y no simplemente negra.

El biólogo John Berman ha dicho que la evolución no es un proceso de ingeniería, por lo que a menudo tiene límites que un ingeniero u otro diseñador no tiene. Incluso si las hojas negras fueran mejores, las limitaciones de la evolución pueden impedir que las especies sean lo más eficientes posible. Berman escribió que conseguir pigmentos que funcionen mejor que la clorofila podría ser muy difícil. De hecho, se cree que todas las plantas superiores (embriofitas) han evolucionado a partir de un ancestro común que es una especie de alga verde, por lo que la clorofila sólo ha evolucionado una vez (ancestro común).

Shil DasSarma, genetista microbiano de la Universidad de Maryland, ha señalado que las especies de arqueas utilizan otra molécula que absorbe la luz, el retinal, para obtener energía del espectro verde. Algunos científicos creen que las arqueas que absorben la luz verde fueron en su día las más comunes en el entorno terrestre. Esto podría haber dejado abierto un "nicho" para los organismos verdes que absorbieran las otras longitudes de onda de la luz solar. Esto es sólo una posibilidad, y Berman escribió que los científicos aún no están convencidos de ninguna explicación.

La clorofila es un pigmento de clorina, que es estructuralmente similar y se produce a través de la misma vía metabólica que otros pigmentos de porfirina como el hem. En el centro del anillo de clorina se encuentra un ion de magnesio. En las estructuras representadas en este artículo, se omiten algunos de los ligandos unidos al centro de Mg²⁺ para mayor claridad. El anillo de clorina puede tener varias cadenas laterales diferentes, que suelen incluir una larga cadena de fitol. Hay algunas formas diferentes que se dan en la naturaleza, pero la forma más ampliamente distribuida en las plantas terrestres es la clorofila a. La estructura general de la clorofila a fue elaborada por Hans Fischer en 1940. En 1960, cuando se conocía la mayor parte de la estereoquímica de la clorofila a, Robert Burns Woodward publicó una síntesis total de la molécula. En 1967, Ian Fleming completó la última elucidación estereoquímica, y en 1990 Woodward y sus coautores publicaron una síntesis actualizada. En 2010, podría haberse descubierto un pigmento fotosintético de luz casi infrarroja llamado clorofila f en las cianobacterias y otros microorganismos oxigenados que forman estromatolitos.

A continuación se resumen las diferentes estructuras de la clorofila:

Los medidores de contenido de clorofila miden la absorción óptica de una hoja para estimar su contenido de clorofila. Las moléculas de clorofila absorben en las bandas azul y roja, pero no en las bandas verde e infrarroja. Los medidores de contenido de clorofila miden la cantidad de absorción en la banda roja para estimar la cantidad de clorofila presente en la hoja. Para compensar la variación del grosor de la hoja, los medidores de clorofila también miden la absorción en la banda infrarroja, que no se ve afectada significativamente por la clorofila.

El contenido de clorofila de las hojas puede medirse de forma no destructiva mediante medidores manuales que funcionan con pilas. Las mediciones realizadas por estos aparatos son sencillas, rápidas y relativamente baratas. En la actualidad, disponen de una gran capacidad de almacenamiento de datos, de promediación y de visualizaciones gráficas.

Espectrofotometría

La medición de la absorción de la luz se complica por el disolvente utilizado para extraerla del material vegetal, que afecta a los valores obtenidos,

• En éter dietílico, la clorofila a tiene unos máximos de absorbencia de 428 nm y 660 nm, mientras que la clorofila b tiene unos máximos de 453 nm y 642 nm.
• El pico de absorción de la clorofila a está a 666 nm.

En las angiospermas, el último paso en la síntesis de la clorofila depende de la luz. Estas plantas son pálidas (etioladas) si se cultivan en la oscuridad. Las plantas no vasculares y las algas verdes tienen una enzima adicional independiente de la luz y, en cambio, crecen verdes en la oscuridad.

La clorosis es una condición en la que las hojas no producen suficiente clorofila, por lo que se vuelven amarillas. La clorosis puede estar causada por no tener suficiente hierro -llamada clorosis férrica- o por no tener suficiente magnesio o nitrógeno. El pH del suelo afecta a veces a estos tipos de clorosis. Muchas plantas están adaptadas a crecer en suelos con niveles específicos de pH y su capacidad para absorber los nutrientes del suelo puede depender de ello. La clorosis también puede estar causada por patógenos, como virus, bacterias e infecciones fúngicas, o por insectos chupadores de savia.

• Xantofila