fotosíntesis – Andeantrees

XI. FOTOSÍNTESIS EN BACTERIAS VERDES DEL AZUFRE (GSB)

Las bacterias verdes del azufre son un grupo bacteriano Gram (-) fotolitoautótrofo metabólicamente especialista, pertenenecen a la clase Chlorobia, Phyllum Bacteroidotas, caracterizadas por ser anaerobias estrictas .

Propias de ambientes anóxicos en fondos de lagos con alto contenido de azufre, utilizan H₂S y en menor medida tiosulfatos y S^o elemental como donores de electrones, carecen del ciclo reductor de Calvin-Benson, en reemplazo fijan CO₂ mediante el ciclo reverso del ácido tricarboxílico.

Su aparato fotosintético contiene complejos antena altamente eficientes denominados clorosomas, los cuales les permiten prosperar a bajísimas intensidades de luz, siendo de hecho el grupo fotosintetizador con menores requerimientos de energía lumínica reportado a la fecha.

Este grupo bacteriano utiliza el centro de reacción RC para producir reductantes fuertes, ATP y NADPH, mediante la oxidacion de los compuestos del azufre anteriormente mencionados.

Para activar la cadena de transporte de electrones, RC contiene como cofactor prostético un par de bacterioclorofilas BChl_a exitable a 840 nm, que les permite pasar de un estado GND un estado exitado P840*, ver Fig. 1.

Figura 1. Potenciales REDOX en la cadena ETC de las bacterias verdes del azufre.

P840 es indispensable para:

Recepción de energía lumínica proveniente de los complejos antena
Separación de cargas
Transferencia de electrones a clusters de proteinas-ferrodoxinas Fe–S, a niveles de energía mucho menores (mas negativos) que los requeridos por las quinonas de bacterias púrpura, lo que permite reducir directamente NAD⁺.

ETC transfiere la energía desde el par BChl_a exitado hacia FeS_A/B, y finalmente a ferrodoxinas Fd citoplasmáticas altamente reductoras, (514-584 mV) , lo que proporciona potenciales suficientes para reducir NADP ⁺ vía ferrodoxina/NADP⁺ oxidoreductasa, lo que habilita las cadenas memtabólicas responsables de la fijación de carbono.

En cuanto a la síntesis de ATP, a la fecha no hay claridad sobre la ruta responsable de generación de la PMF requerida para la activación de ATP synthase.

En primer lugar, en la cadena de transporte de electrones no participan de manera directa quinonas, y solo menaquinona MK7 está presente en lo que prodría definirse como pool de quinonas.

Por otro lado, a pesar de que GSB contiene genes codificantes de Cyt b y Rieske Fe/S (PetB y PetC respectivamente), no ha sido descrito a la fecha genoma codificador de Cyt c₁ y Cyt f , de manera que una ruta cíclica equivalente a la vía Cyt bc1 de bacterias púrpura no ha sido demostrada para GSB. El rol de Cyt b y Rieske Fe/S en el complejo es sujeto de investigación.

De manera alterna, es posible que la acción combinada de ferredoxina como agente reductor de MK7 y NADP deshidrogenasa como fuente de protones, ver Fig.2., permita generar MKOH, de modo que la translocación de protones en una etapa oxidativa subsiguiente de MKOH -> MK7 para síntesis de ATP pueda ocurrir . La reducción de MK7 puede tambien provenir de FeS o la fuente de electrones del sistema. Independiente del agente reductor, no ha sido posible caracterizar complejos oxidantes de MKOH que soporten la teoría, así que la ruta de generación de PMF y retorno de electrones al sistema en alguna vía alterna a Cytc1-Cyt C soluble también está por aclararse. En la Fig 2., las líneas punteadas representan rutas probables no demostradas.

Figura 2. Diagrama de flujo de las probables rutas fotosintéticas en GSB, incluyendo consumo de NADPH para síntesis de ATP. Líneas punteadas indican rutas no demostradas.

Para complementar el tema, la Fig 3 describe la ruta de síntesis de NADPH en bacterias púrpura mediante el consumo de ATP.

Figura 3. Diagrama de flujo de la síntesis de NADPH a partir de consumo de ATP en bacterias ´púrpura

En resumen, mientras que en bacterias púrpura, debido a su naturaleza débilmente reductora, se hace necesario “invertir” parte del ATP producido para sintetizar NADPH, en GSB, dada su naturaleza fuertemente reductora pero débilmente oxidante, una fracción de NADPH es la que se debe utilizar durante la síntesis de ATP.

Puesto que la incorporación de carbono a partir de CO2 depende de la disponibilidad tanto de NADPH como de ATP en las rutas reductoras (Ciclo de Calvin-Benson y TCA Reverso, entre otros) , y puesto que parte de estos agentes debe ser direccionado hacia la síntesis de los mismos, los aparatos fotosintéticos de Bacterias púrpura y GSB tienen en común una eficiencia limitada. La situación en bacterias púrpura y GSB recuerda la paradoja de la serpiente, quien para sobrevivir, requiere alimentarse de sí misma.

Figura 4. Paradoja de la serpiente

Hace unos 2,000 millones de años, en un proceso de endosimbiosis bioquímica, dos grupos bacterianos, con rutas bioquímicas similares a las mencionadas, fusionaron de alguna manera sus maquinarias fotosintéticas dando origen a un único complejo fuertemente oxidante, fuertemente reductor, lo que por un lado eliminó la necesidad de consumo de productos reductores para síntesis de sí mismos, y por otro lado habilitó la utilización de H2O como una nueva e ilimitada fuente de electrones.

Las consecuencias de dicha convergencia evolutiva marcaron un punto de inflexión en la vida en el planeta, pero esto será tema para las próximas lecturas.

Finalmente, y para cerrar la lectura, la figura 5 desribe de manera resumida el aparato fotosintético en GSB.

Figura 5. Aparato fotosintético en bacterias verdes del azufre

VI. ORBITALES MOLECULARES Y EXITACIÓN ELECTRÓNICA

Antes de abordar el tema de pigmentos fotosintéticos, es conveniente revisar la estructura atómica y molecular del carbono.

La Figura 1 ilustra de manera gráfica la distribución electrónica y los niveles de energía de los orbitales atómicos en el estado Ground y en los estados exitados sp³, sp² y sp.

Estado exitado sp³ : Los cuatro electrones porvenientes de los orbitales 2s y 2p se hibridizan en un nivel equipotente de energía intermedio entre los niveles 2s y 2p, conduciendo a cuatro electrones sp³ separados espacialmente 109,5° formando un tetraedro regular.
Estado sp² : Tres de los cuatro electrones se hibridizan de manera planar, separados 120° entre sí, quedando libre de hibridación el electrón 2p_z cuya distribucion de probabilidad es perpendicular al plano sp³.
Estado sp: , Solo dos electrones se hibridizan y sus distribuciones de probabilidad se ubican sobre el eje x. En este caso, los dos electrones, 2p_y y 2p_z se distribuyen a 90° entre sí en un plano perpendicular al eje x.

Figura 1. Orbitales atómicos Ground y exitados del átomo de carbono.

En los pigmentos fotosintéticos, Enlaces C=C alternan con enlaces C-C , sea de manera lineal (carotenos) o en anillo (clorofilas), formando lo que se denomina enlaces conjugados. Los enlaces C=C corresponden al estado exitado sp² , en el que participan dos electrones: uno de los tres electrones híbridos sp2 y el electrón 2p_z, ver Figura 2. Los dos electrones sp² se alinean sobre un mismo eje, conformando un orbital molecular σ, mientras que los electrones 2p_z se alinean de manera paralela, conformando un orbital molecular π.

Figura 2. Orbitales moleculares para un enlace C-C correspondiente a sp²

Dependiendo del estado de fase, dos tipos de enlaces σ pueden presentarse: Bond, con funciones de onda en fase, y Antibond, con las funciones de onda desfasadas 180° entre sí, ver Fig 3.

Figura 3. Orbitales moleculares σ y σ* , Bond y Antibond, dependiendo de los estados de fase de los electrones participantes..

Orbitales moleculares tipo σ y σ* ocurren también entre orbitales atómicos p_x, ver Fig 4, mientras que p_y y p_z interactuan de manera paralela conformando orbitales moleculares π y π*, ver Fig.5.

Figura 4. Orbitales moleculares σ y σ* entre orbitales atómicos P_x

Figura 5. Orbitales moleculares π y π* entre orbitales atómicos p_y – p_y y p_z-p_z

La figura 6 describe los niveles de energía de los orbitales moleculares correspondientes a los elementos del grupo 2 de la tabla periódica.

Figura 6. Niveles de energía de los Orbitales moleculares para los elementos del grupo 2 de la tabla periódica.

Partiendo de los niveles de orbitales moleculares especificados en la fig.6., se dpuede definir el diagrama orbital molecular (MO Diagram) correspondiente al enlace C=C presente en los enlaces conjugados de los pigmentos fotosintéticos; ver Fig 7.

Figura 7. Diagrama orbital molecular (MO Diagram) para el enlace C=C en estado Ground

HOMO – LUMO

Los términos HOMO / LUMO hacen referencia a los orbitales “Highest Occupied Molecular Orbital” y “Lowest Unoccupied Molecular Orbital”, que, para el caso del enlace C=C especificado en la Fig.7., corresponden a los orbitales moleculares π y π*, respectivamente.

Se mencionó anteriormente que el orbital molecular π es un orbital “Bonding” en el cual las funciones de onda de los electrones que participan están en fase, ver Fig.5., mientras que π* es un enlace “Antibonding” , en desfase de 180°.

Cuando un fotón incide sobre un electrón π con un energía exactamente igual a la diferencia entre los niveles de energía (π* – π), en electrón se exita pasando del nivel π al π* , esto es, de HOMO a LUMO, ver Figura 8.

Figura 8. Diagrama orbital molecular (MO Diagram) para el enlace C=C en estado exitado

Los diagramas propuestos por Richard Feynman describen de una manera elegante la interacción fotón-electron, aplicable a los pigmentos fotosintéticos, ver Fig 9.

Figura 9. Diagrama de Feynman correspondiente a l salto de energía de un electrón π ground (HOMO) a su estado exitado π* (LUMO)

La exitación electrónica HOMO-LUMO de π a π* es el fenómeno natural al cual la vida a travez de la fotosíntesis ha recurrido para aprovechar la energía solar, con el único propósito de mantener su estructura y función orgánica, lo que viene a ser el motor mismo de la vida en nuestro planeta.

ESTADOS TRIPLETE Y SINGLETE

En adición a la energía de exitación inherente al tránsito HOMO-LUMO del electrón (π -> π*) , el momento angular del electron, denotado por S, o Spín, juega igualmente un rol importante en la captura de energía y relajación en los procesos fotosintéticos.

El Spin es un número cuántico inherente a las partículas que conforman el universo. En el caso de los fermiones, a los cuales pertenece el electrón, su valor siempre es S=1/2, y su proyección sobre el eje z, o s_z , puede tomar los valores +1/2 (up ↑) y -1/2 (down ↓).

Matemáticamente,

{\displaystyle S_{z}={\frac {\hbar }{2}}\sigma _{z}={\frac {\hbar }{2}}{\begin{bmatrix}1&0\\0&-1\end{bmatrix}}}

Los dos eigenvalues de S_z, ${\textstyle \pm {\frac {1}{2}}\hbar }$ , corresponden a los siguientes eigenspinors:

{\displaystyle \chi _{+}={\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}}=\left\vert {s_{z}{=}{+\textstyle {\frac {1}{2}}}}\right\rangle =|{\uparrow }\rangle =|0\rangle }

{\displaystyle \chi _{-}={\begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix}}=\left\vert {s_{z}{=}{-\textstyle {\frac {1}{2}}}}\right\rangle =|{\downarrow }\rangle =|1\rangle .}

Para un sistema conformado por dos electrones, hay dos estados de importancia en los procesos fotosintéticos:

Estado triplete: Comprende tres estados antisimetricos con spin total S=1

Componentes: m_s=+1 , m_s = 0 , m_s −1, donde

∣T1⟩=∣↑↑⟩

∣T0⟩=1/√2 (∣↑↓⟩+∣↓↑⟩)

∣T−1⟩=∣↓↓⟩

Estado singlete (S = 0): Estado simétrico con spin total S=0 .

Componente único : ms=0, donde

∣S⟩=1/√2(∣↑↓⟩−∣↓↑⟩)

Por regla general, para dos electrones en el mismo sistema, el estado singlete (estado simétrico) suele tener mayor energía que el estado triplete, debido principalemente a que un estado simétrico permite mayor cercanía entre el par de electrones que en estados antisimétricos, lo que aumenta la repulsión coloumbiana.

En la fotosíntesis y otros fenómenos bioquímicos, una e las estrategias de de-exitación se conoce como Inter-System Crossing, ISC. Electrones pueden pasar de estados Singlete de alta energía a estados triplete de menor energía, ver Fig. 10, como un paso intermedio para retorno a GND.

Figura 10. IC – ISC como rutas de De-exitación no radativa.

ENLACES CONJUGADOS

Como se mencionó, cadenas y anillos con alternancia de enlaces simples ( σ) y dobles (σπ) se denominan enlaces conjugados. ver Fig.11. En este tipo de arreglos, los electrones π se deslocalizan, lo que otorga una gran estabilidad a la molécula a mas de ser fenómeno base de sus propiedades resonantes.

La diferencia de energía (π* – π) en los pigmentos fotosintéticos depende de numerosos factores, intramoleculares e intermoleculares. Los enlaces conjugados, como parte de la estructura molecular, definen en buena medida el valor de dicha diferencia .

Figura 11. Estructura molecular de la porfirina, con un anillo conformado por 9 enlaces σπ alternando con 9 enlaces σ.

A mayor número de enlaces conjugados por pigmento menor la distancia energética (π* – π), lo que se traduce, en pigmentos fotosintéticos, a absorber fotones a menores energías, tan bajas como el infrarrojo cercano.

Cada grupo biológico dependiente de la fotosíntesis tiene su entorno característico, con una luminosidad característica, lo que implica que la maquinaria fotosintética debe sintonizarse con la fuente de energía disponible. El ajuste de la diferencia HOMO-LUMO es la herramienta base para dicha sintonización.

No quisiera cerrar esta lectura sin mencionar a un personaje que de una u otra manera entendió la importancia de la luz en el universo.

Me refiero al faraón Akhenaton, uno de los últimos faraones de la dinastía XVIII, quien en medio de un gobierno teocrático politeista se atrevió a implementar, por primera vez en la historia de la humanidad, el monoteismo en su reino. Así, el culto a Ra, el dios sol, se convirtió en el centro de la religión durante su regencia . Esta “herejía”, opuesta al zoológico de dioses defendidos por los sacerdotes de la época, marcó el principio del fín de su dinastía, quedando sin embargo “grabado en piedra” para la posteridad su aporte al reconocimiento del papel de la energía electromagnética, entiendase Ra, sol, luz o fotón, en la vida y evolución de nuestro planeta.

Obviamente, tras Akhenaton vinieron aportes menos religiosos y más científicos, dentro de los que cabe resaltar los aportes de J.C. Maxwell, Max Plank , Albert Einstein y Richard Feynman, entre otros, pero eso debería ser tema para otras lecturas.

IX. SOBRE EL CICLO DE CALVIN-BENSON Y EL PRINCIPIO DE MÍNIMA ACCIÓN

Figura 1. Vista 3D de la enzima Rubisco, responsable de la fijación de carbono en el ciclo de Calvin-Benson.

El ciclo de Calvin-Benson es de lejos el ciclo reductor mas importante en la naturaleza, presente en varios grupos bacterianos, algas y plantas superiores.

La manera más común de representar el ciclo se ilustra en la Fig 2.

Figura 2. Ilustración general del ciclo de Calvin-Benson

Varios elementos a resaltar:

Se trata de un ciclo reductor, responsable de la biosíntesis a partir de Gliceraldehido 3 fosfato (G3P) , mediante incorporación de CO₂, ruta característica y propia de los procesos fotosintéticos.
El ciclo requiere energía externa, en forma de ATP y NADPH
El ciclo comprende tres fases: Carboxilación, Reducción y Regeneración
Durante la fase de carboxilación, 3 moléculas de CO2 son incorporadas al ciclo, y en conjunto con 3 moléculas de H₂O y tres de Ribulosa 1-5 bifosfato se producen seis moléculas de 3-fosfoglicerato. En esta fase la enzima Rubisco (Ribulosa 1-5 bifosfato carboxilasa oxigenasa) es la responsable de la carboxilación.
En la fase reductora, seis moléculas de Gliceraldehido 3-fosfato (G3P) son sintetizadas a partir de igual número de moléculas de 1-3 bifosfoglicerato.
Finalmente, en la fase de regeneración, cinco de las seis G3P producidas previamente se destinan a la regeneración de 3 moléculas de Ribulosa 1-5 bifosfato, la sexta G3P es extrída del clico para biosintesis o como reserva de energía, propósito fundamental del proceso.

Lo que la Fig 2. no muestra es la complejidad de la fase de regeneración.

Para ilustrar de la mejor manera esta fase resulta mucho mejor “abrir” el ciclo, ver fig 3., con tres moléculas de Ru-1-5-BP iniciando la ruta metabólica y “OTRAS” tres finalizandolo, lo cual de paso es la manera mas estricta de representar el proceso. El hecho de que la ruta se repita ciclicamente no quiere decir que sea circular, lo que implicaría las que las mismas moléculas de Ru-1-5 BP son las que incician y cierran el ciclo.

Como se mencionó arriba, una de las seis moléculas de G3P producidas durante la fase de reducción se destina a biosintesis (o como reserva de energía), mientras que las cinco restantes se destinan a la regeneración de Ru-1-5BP.

Figura 3. Representación alterna de la Ruta metabólica de Calvin-Benson

Se incluyen en la parte superior de la figura las dos rutas de biosíntesis más relevantes: La biosíntesis de almidón (en el cloroplasto de plantas superiores) y la biosíntesis de sucrosa (en el cytosol).

Para facilitar la comprensión del proceso, moléculas orgánicas de tres carbonos se representan como triángulos, de cuatro como cuadrados, de cinco como pentágonos, etc.

La aritmética implicada en el reagrupamiento de carbonos en la fase de regeneración, esto es, la síntesis de tres moléculas de cinco carbonos (Ribulosa 2-5 bifosfato) a partir de cinco moléculas de tres carbonos (Gliceraldehido tres fosfato) se resume en la fig 4.

Figura 4. Aritmética de la fase de regeneración en el ciclo de Calvin-Benson

Otra manera de visualizar la fase de regeneración es mediante un diagrama de evolución temporal en el número de carbonos/molécula, ver Fig 5.

Figura 5. Evolución de carbonos a lo largo de la fase de regeneración

Lo que permite analizar este gráfico es la distribución de densidad de carbonos por molécula alrededor del objetivo final (5 carbonos).

Una manera de cuantificar esta densidad es a travez de un índice de variacion I, de acuerdo a la fórmula especificada en la figura. Para este caso, 2,36 es el valor calculado del índice de densidad de carbonos, teniendo en cuenta las moléculas precursoras de tres carbonos, G3P, moléculas intermedias de 4, 6 y 7 carbonos, ver fig.3, y las moléculas objetivo, Ru-1-5 BP.

No existe una fase de regeneración alterna que aporte un úndice inferior a 2,36. El número de carbonos oscila entre 3 y 7 carbonos, cualquier alternativa con moléculas de menos de tres carbonos o más de siete termina arrojando un índice mayor.

A manera de ejemplo, analizemos una ruta alterna como la especificada en la fig. 6.

Figura 6. Aritmética alterna de carbonos a lo largo de la fase de regeneración

En este caso, en lugar de la síntesis de F1-6BP (fructuosa bifosfato) a partir de G3P y DHP, con alguna enzima podría generarse X5P precursor de Ru1-5BP y una molécula orgánica de un carbono, que fosforilada convenientemente (inversión en energía), podría integrarse a un G3P para formar E4P .

Lo demás quedaría igual.

Esta modificación metabólica en la fase de regeneración termina generando cambios significativos en la densidad de carbonos, ver fig.7., como lo demuestra el nuevo índice de densidad calculado I=3,73 vs I=2,36 en el caso real.

Figura 7. Evolución alterna de carbonos a lo largo de la fase de regeneración

Con este ejercicio la pregunta que surge es, cuál es el significado del índice de densidad de carbonos?

En primer lugar, la energía invertida en cualquier otra ruta de regeneración alterna debe incrementarse,en el caso presentado por la integración de moléculas de un carbono a G3P, cuya activación por fosforilación implica inversión adicional de ATP, pero también por la energía invertida en la síntesis de enzimas adicionales para habilitar la ruta alterna.

Teniendo en consideración que la vida y su fenomenología bioquímica no son ni pueden ser una excepción a las reglas del universo, lo que se está midiendo es el costo metabólico de las rutas metabólicas, correspondiendo el menor costo, menor esfuerzo o mínima acción, a la ruta seleccionada por la naturaleza, lo que debe tener un equivalente discreto de la minima acción de la mecánica lagrangiana aplicada a fenómenos coninuos, acción que finalmente es la medida de la evolución temporal de las energías cinéticas y potenciales del sistema.

IV . FOTOSÍNTESIS EN BACTERIAS PÚRPURA: CAPTURA DE ENERGÍA

Fig. 1. Diagrama general del supercomplejo fotosintético en bacterias púrpura

Las bacterias púrpura fotosintéticas son un grupo de Proteobacterias fotosintetizadoras anaerobias, las cuales utilizan como donadores de electrones succinatos, lactatos y eventualmente H2 o H2S a bajas concentraciones. Su aparato fotosintético, al igual que en los demás grupos biológicos, se encuentra embebido en invaginaciones de la membrana interna celular, las cuales generan un volumen confinado de periplasma donde se genera un gradiente de iones H+ requerido para la síntesis posterior de ATP.

El aparato fotosintético comprende un conjunto de proteinas transmembrana con funciones fínamente acopladas, e incluye complejos antena (LHII y LHI) destinados a la captura de energía lumínica y transporte de la misma al centro de reacción RC; el centro de reacción RC propiamente dicho, destinado a recibir y transferir la energía desde pigmentos fotosintéticos especiales hasta quinonas aceptoras a lo largo de una cadena de transporte de electrones, (Electron Transport Chain, ETC), incluye complejos cytocromo BC1, responsable de la generación PMF por medio de receptores especiales de quinonas; y finalmente complejos moleculares ATP synthase, que utilizan la PMF generada en la etapa anterior para ensamblar ATP.

El conjunto de subunidades conforman un supercomplejo transportador y almacenador de energía en forma de ATP y NADPH, moléculas fundamentales tanto para la activación de las cadenas de síntesis biológica como en los procesos de crecimiento, reproducción celular y en general en todas las funciones bioquímicas y fisiológicas demandantes de energía.

Fig. 2. Transferencia de energía entre complejos fotosintéticos. En la figura, “U” y “K” representan energías potencial y cinética, respectivamente.

CAPTURA DE ENERGÍA: COMPLEJOS ANTENA LHII Y LHI

La energía lumínica es capturada en arreglos concéntricos de carotenos y bacterioclorofilas (BChl) , localizados en complejos proteínicos octaméricos transmembrana, denominados complejos antena LHII (Light Harvest complex II). La energía es enrutada al interior de LHII de 500 a 800 a 850 nm para posteriormente exitar arreglos igualmente concéntricos de BChl ´s en LH1 a 875 nm.

Fig. 3. Light harvesting Complex II en Rhodoblastus acidophilus

Fuente: Photosynthesis | The Purple Photosynthetic Bacterial Light Harvesting System. Richard J. Cogdell, Tu C. Nguyen-Phan, in Encyclopedia of Biological Chemistry (Third Edition), 2021

Note en la figura la disposición en empalizada de los carotenos (moléculas café), y las disposiciones en anillos concéntricos de las 8 BChl´s paralelas a la superficie de la membrana plasmática (BChl´s violetas) y de las 16 perpendiculares a la misma (BChl´s azules).

La transferencia de energía entre y dentro de anillos se realiza mediante “RESONANCIA DE FÖRSTER”, FRET, un tipo particular de resonancia cuántica no radiativa, que requiere distancias muy reducidas entre moléculas donadora y aceptora, y overlapping al menos parcial de la frecuencia de emisión del donador y frecuencia de exitación del aceptor, ver figuras 4 y 5.

Fig. 4. Overlapping parcial entre frecuencia de emisión del donador y exitación del aceptor

Fig. 5. Dependencia de la distancia entre moléculas donadora y aceptora para los valores de transferencia de energía.

A diferencia de otros tipos de resonancia (Resonancia de Dexter), la Resonancia de Förster no mueve electrones exitados de donador a aceptor ni modifica su spin cuántico, por lo cual se define como una resonancia Singlet-Singlet no radiativa.

Partiendo de una exitación de un electrón de HOMO a LUMO en la molécula donadora, ver fig. 6., se transfiere posteriormente su energía a moléculas adyacentes mediante transferencia no radiativa.

Fig. 6. Exitación energética de HOMO a LUMO

En este caso, la molécula donadora retorna un electrón de LUMO (Lowest Unoccupied Molecular orbital) a Homo (Highest Occupied Molecular Orbital) mientra que en la molécula aceptora uno de sus electrones eleva su energía de HOMO a LUMO.

Fig. 7. Singlet-Singlet Förster Resonance Energy Transfer

Al menos dos propiedades cuánticas adicionales y probablemente una tercera son aprovechadas por los Complejos Antena para ejecutar su función: Superposición Cuántica, Coherencia Cuántica y eventualmente Superradiancia Cuántica.

Fig. 8.Transferencia de energía dentro de complejos (líneas azules) y entre complejos (Líneas rojas)

La Superposición Cuántica permite que multiples rutas probables coexistan tanto al interior de los complejos antena (flechas azules), como entre complejos (flechas rojas), garantizando que la energía sea transferida exitosamente y de manera rápida desde la molécula receptora del fotón hasta al Centro de Reacción RC sin que en el tránsito se “pierda”en rutas erráticas. Una vez alcanzado RC, la energía es “leída” por el par especial de clorofilas y en este momento la función de onda colapsa o elimina las demás rutas probables.

La unidireccional en cada paso también se garantiza por la disminución de frecuencias = Disminución de energía = aumento de longitud de onda durante el tránsito en el complejo de antenas (ver fig. 4).

Sin embargo también se debe notar que la exitación de LHI se dá a una mayor frecuencia (865 nm) que la frecuencia del donador (875 nm).

Es posible que la Coherencia y la Superradiancia Cuántica actuando en conjunto sean el elemento responsable del fenómeno.

Fig. 9.Superradiancia Cuántica

En el caso de los complejos antena, es probable que las moléculas individuales emisoras respondan bajo coherencia cuántica de forma espontánea , actuando cooperativamente como una única entidad. La coherencia lleva a que el grupo emita luz en un único haz coherente de alta intensidad. Este haz adquiere una intensidad N veces más fuerte que la intensidad esperada de un grupo de partículas independientes. En la figura 9 la variable N corresponde al número de partículas coherentes. Este efecto NO es basado en NINGUNA interacción entre las moléculas implicadas; es el resultado de las propiedades SIMÉTRICAS de la interacción del conjunto de partículas con el campo electromagnético lumínico global.

En resumen, los complejos antena, como parte del supercomplejo fotosintético, garantizan que la energía incidente de un fotón sea transmitida de manera eficiente hasta el centro de reacción RC, donde un par especial de clorofilas se exitarán al punto de liberar un electrón iniciando una cadena de transporte de electrones (ETC) que al final del proceso se acumulará en moléculas especializadas. El tránsito de fotónica a electrónica se ejecuta en el centro de reacción RC.

Orlando Rodríguez

Julio2, de 2025

LECTURAS RECOMENDADAS

Hu X, Schulten K. Model for the light-harvesting complex I (B875) of Rhodobacter sphaeroides. Biophys J. 1998 Aug;75(2):683-94. doi: 10.1016/S0006-3495(98)77558-7. PMID: 9675170; PMCID: PMC1299743.

Hu X, Ritz T, Damjanović A, Autenrieth F, Schulten K. Photosynthetic apparatus of purple bacteria. Q Rev Biophys. 2002 Feb;35(1):1-62. doi: 10.1017/s0033583501003754. PMID: 11997980.

Miroslav Z. Papiz, Anna M. Hawthornthwaite-Lawless, Steve M. Prince, Gerry McDermott, Andy A. Freer, Neil W. Isaacs, Richard J. Cogdell,
A model for the photosynthetic apparatus of purple bacteria,
Trends in Plant Science,
Volume 1, Issue 6,
1996,
Pages 198-206,
ISSN 1360-1385

III. FOTOSÍNTESIS: FLUJO DE ENERGÍA

La fotosíntesis, como proceso bioquímico, tiene como función principal la captura de energía lumínica y el depósito final de la misma en moléculas orgánicas requeridas para soportar la estructura, mantenimiento y dinámica de la vida.

Siguiendo una estricta secuencia temporal, el proceso comprende las siguientes etapas:

Captura de energía en complejos especializados, denominados complejos antena, o Light Harvesting Complexes, LHC
Exitación electrónica en un par especial de clorofilas, en centros de reacción RC
Transporte de energía a lo largo de una cadena de reacciones de oxidoreducción, Electron Transport Chain (ETC)
Generación de un gradiente protónico (Protomotriz Force, PMF), en particular en el complejo cytocromo BC1
Utilización de PMF en ATP Synthase, para producción de ATP
Utilización de ATP en procesos de biosíntesis

A pesar de ser un proceso altamente eficiente, parte de la energía en cada etapa se pierde, bien en forma de calor, bien en procesos de disipación energética no fotoquímica no aprovechables (NPQ), de modo que el neto en cada etapa corresponde a la energía libre de Gibss para dicha etapa.

La evolución energética se ilustra en la gráfica a manera de rampas continuas, ascendentes o descendentes dependiendo del caso, sugiriendo funciones continuas (salvo el caso resaltado como línea punteada escalonada en ETC), sin embargo el proceso es discreto, con una “granularidad” dependiente del número de reacciones bioquimicas involucradas en cada etapa.