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En el desarrollo del proceso de la fotosíntesis la mayoría de las plantas dividen las moléculas de agua para generar energía. Recientes estudios descubrieron con exactitud cómo las plantas generan la energía por medio de la fotosíntesis.
Sin la fotosíntesis no habría vida en la Tierra
Este proceso es forma parte fundamental de la vida en nuestro planeta. La fotosíntesis brinda a las plantas los medios para fabricar su propio alimento. Sin embargo, los científicos todavía no conocen con exactitud como funciona. Un par de nuevos experimentos han revelado un paso que faltaba en este proceso vital, lograron identificar los detalles, hasta los momentos desconocidos, de cómo se rompen las moléculas de agua, una de las reacciones más difíciles de alcanzar.
Jan Kern, químico y coautor de uno de los estudios y perteneciente al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de los Estados Unidos; explicó que, en el momento en que se rompen las moléculas de agua, queda liberado el oxígeno en el aire. Dicho oxígeno, del que dependen los seres humanos y que es esencial para todas las formas de vida superiores, es un subproducto de esta reacción.
Todos los animales necesitan oxígeno para poder respirar, hasta los insectos lo necesitan, al igual que los peces y las personas; además de la mayoría de las plantas que también necesitan el oxígeno para la respiración celular, agregó el investigador.
El papel del Fotosistema II en la fotosíntesis
Kern junto a su equipo de investigadores extrajeron de bacterias la estructura proteica responsable de dividir el agua, denominada Fotosistema II, para el estudio de su comportamiento. Los científicos bombardearon dichas estructuras con rayos X y láser, con lo que pudieron tomar imágenes instantáneas del proceso a escala atómica, de acuerdo con los descrito en la revista “Nature”.
Otra investigación, que también fue publicada en “Nature”, usó las señales emitidas por el Fotosistema II al incidir sobré él luz infrarroja, con lo que los científicos pudieron estudiar los cambios que se llevan a cabo durante la fotosíntesis. A través de estas detalladas técnicas de imagen pudieron observar que la división del agua se produce en múltiples pasos, lo que nunca antes se había podido observar.
El objetivo de la división de las moléculas de agua es la liberación de electrones, que se usan para alimentar el resto del proceso de fotosíntesis. Kern aseguró que, este es fundamentalmente el motor de toda la fotosíntesis.
Al tener una mayor comprensión sobre cómo son producidas estas complejas reacciones bioquímicas, los investigadores no solo tienen imágenes más precisas de los motores que impulsan la vida en el planeta, sino que además podrían reproducir la fotosíntesis para poder generar combustible de hidrógeno verde.
En este sentido, Jenny Zhang, quien no participó en el estudio y pertenece a la Universidad de Cambridge, en Inglaterra; aseguró que, el sueño es lograr sustituir los combustibles fósiles. Y que para sustituirlos se necesita obtener esos electrones, y el agua es la mejor fuente, aseguró la experta.
El agua y la luz del Sol
La fotosíntesis usa la luz solar para poder transformar el dióxido de carbono y el agua en azúcar. Y durante este proceso libera oxígeno como producto de desecho. Tal oxígeno evolucionó en bacterias unicelulares hace más de dos mil quinientos millones de años.
El biofísico Holger Dau, de la Universidad Libre de Berlín, en Alemania, y coautor de una de las investigaciones; explicó que, las consecuencias fueron, y todavía lo son, enormes, ya que dio origen a la atmósfera rica en oxígeno que tenemos actualmente en nuestro planeta. El oxígeno es altamente reactivo y brinda mucha energía a los organismos que pueden aprovecharlo, lo que al final permitió la evolución de animales activos y mucho más grandes.
En la actualidad, la fotosíntesis la llevan a cabo cianobacterias, plantas verdes y algas verdes, desde hierbas y flores silvestres hasta las enormes secuoyas. No obstante, a pesar de esta gran diversidad de vida fotosintética, los detalles de este proceso han permanecido constantes de manera notable.
Al respecto, el biofísico Vittal Yachandra, perteneciente al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y coautor de uno de los estudios; afirmó que, la naturaleza dio con algo hace tres mil millones de años y lo mantuvo.
Las moléculas del agua están compuestas por 1 átomo de oxígeno y 2 átomos de hidrógeno
Los científicos explican que durante el primer paso de la fotosíntesis se rompen las moléculas de agua, cada una de las ellas está formada por un átomo de oxígeno y 2 átomos de hidrógeno. En este paso es donde se libera el oxígeno residual y son aprovechados los electrones para generar energía.
Una gran enzima se encarga de dividir las moléculas de agua, se trata de una estructura proteica que hace el papel de catalizador y acelera las reacciones bioquímicas, es denominada Fotosistema II. Su nombre es el resultado de un accidente histórico: actúa primeramente en el proceso de fotosíntesis, aunque antes se descubrió otra enzima que interviene más tarde.
En el centro del Fotosistema II está un grupo de iones (partículas cargadas eléctricamente) en concreto de manganeso, oxígeno y calcio. Este cúmulo se encarga de dividir las moléculas de agua y es el objetivo de las nuevas investigaciones. Este paso no se conoce lo suficiente a nivel atómico, aseguró Dau.
De esta forma en se rompen las moléculas de agua dentro del proceso de la fotosíntesis
Trabajos anteriores han demostrado que la reacción de división de las moléculas del agua se produce a través de varias etapas. En la primera, una molécula de H2O entra en el Fosistema II y se une al clúster metálico. Por otro lado, el clúster acumula energía de la luz solar entrante, que requiere para poder dividir el agua.
Para saber qué sucede luego, Yachandra, Kern y su equipos obtuvieron muchas copias del Fotosistema II a partir de bacterias. Luego las dejaron un tiempo en la oscuridad y después las sometieron a breves destellos de luz láser para que las reacciones fueran impulsadas, y al final las bombardearon con rayos X para hallar imágenes de cómo cambiaban sus estructuras atómicas. De esta manera, lograron tomar instantáneas del proceso de división de las moléculas del agua en plena acción.
Fue una tremenda sorpresa para los investigadores. Yachandra explicó que, el paradigma era la que la enzima se carga a sí misma, y después la química se produce de repente en la última fase. Aunque sus datos no respaldan esta idea. Lo que pudieron descubrir es que el último paso no se produce de repente. Hay una serie de pasos más pequeños, agregó.
No está del todo claro cuáles son estos pequeños pasos intermedios. Un par de moléculas de agua pueden convertirse de manera temporal en un peróxido, en el cual sus oxígenos se unen a través de un nuevo enlace, lo que obliga a la eliminación de los hidrógenos.
Cálculos que se hicieron por más de quince años
En el segundo trabajo, Dau y su equipo hallaron pruebas complementarias. Lograron muestras del Fotosistema II de hojas frescas de espinaca y las estimularon con destellos láser. Luego usaron espectroscopia infrarroja y fueron midiendo las emisiones producidas para observar cómo cambiaba la enzima.
Estas mediciones se llevaron a cabo 230.000 veces por el equipo de investigadores. Dau aseguró que, comenzaron este experimento hace quince años.
Estos datos además señalan que hay un paso intermedio en la reacción de división del agua. Los científicos también hallaron que la reacción únicamente era posible porque un electrón y 4 protones se movían de manera coordinada, lo que demuestra que el Fotosistema II ejerce un control muy preciso incluso sobre las partículas más chicas de la reacción.
Ambos estudios pudieron resolver el paso final de esta vía de catálisis. Ha sido una de las mayores incognitas en este campo, aseguró Zhang.
Aunque todavía no está del todo claro cómo evolucionaron la fotosíntesis y el Fotosistema II en su conjunto. Lo que sí está bastante claro es que el sistema de división del agua se ha mantenido casi igual por miles de millones de años. Zhang afirmó que, la naturaleza solo descubrió cómo hacerlo una vez. Y que esto puede deberse a que la reacción es sumamente compleja, debido a que obliga a las moléculas a separarse a pesar de los enlaces que las mantienen unidas, agregó la investigadora.