Clorofila

La clorofila es cualquiera de varios pigmentos verdes relacionados que se encuentran en los mesosomas de las cianobacterias y en los cloroplastos de algas y plantas. Su nombre se deriva de las palabras griegas χλωρός, khloros ("verde pálido") y φύλλον, phyllon ("hoja"). La clorofila permite que las plantas absorban la energía de la luz.

Las clorofilas absorben la luz con más fuerza en la parte azul del espectro electromagnético, así como en la parte roja. Por el contrario, es un pobre absorbente de las porciones verde y casi verde del espectro. Por lo tanto, los tejidos que contienen clorofila aparecen verdes porque la luz verde, reflejada de forma difusa por estructuras como las paredes celulares, se absorbe menos. Existen dos tipos de clorofila en los fotosistemas de las plantas verdes: clorofila a y b.

Historia

La clorofila fue aislada y nombrada por primera vez por Joseph Bienaimé Caventou y Pierre Joseph Pelletier en 1817. La presencia de magnesio en la clorofila se descubrió en 1906 y fue la primera detección de ese elemento en tejido vivo.

Después del trabajo inicial realizado por el químico alemán Richard Willstätter entre 1905 y 1915, la estructura general de la clorofila a fue aclarada por Hans Fischer en 1940. Para 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 restante, y en 1990 Woodward y sus coautores publicaron una síntesis actualizada. Se anunció que la clorofila f estaba presente en las cianobacterias y otros microorganismos oxigénicos que forman estromatolitos en 2010; una fórmula molecular de C ₅₅ H ₇₀ O ₆ N ₄Mg y una estructura de (2-formil)-clorofila a se dedujeron en base a RMN, espectros ópticos y de masas.

Fotosíntesis

La clorofila es vital para la fotosíntesis, lo que permite que las plantas absorban la energía de la luz.

Las moléculas de clorofila están dispuestas dentro y alrededor de los fotosistemas que están incrustados en las membranas tilacoides de los cloroplastos.En estos complejos, la clorofila cumple tres funciones. La función de la gran mayoría de la clorofila (hasta varios cientos de moléculas por fotosistema) es absorber la luz. Una vez hecho esto, estos mismos centros ejecutan su segunda función: la transferencia de esa energía luminosa por transferencia de energía de resonancia a un par específico de clorofilas en el centro de reacción de los fotosistemas. Este par efectúa la función final de las clorofilas, la separación de carga, lo que lleva a la biosíntesis. Las dos unidades de fotosistema actualmente aceptadas son el fotosistema II y el fotosistema I, que tienen sus propios centros de reacción distintos, denominados P680 y P700, respectivamente. Estos centros llevan el nombre de la longitud de onda (en nanómetros) de su máximo de absorción de pico rojo. La identidad,

La función del centro de reacción de la clorofila es absorber la energía luminosa y transferirla a otras partes del fotosistema. La energía absorbida del fotón se transfiere a un electrón en un proceso llamado separación de carga. La eliminación del electrón de la clorofila es una reacción de oxidación. La clorofila dona el electrón de alta energía a una serie de intermediarios moleculares llamados cadena de transporte de electrones. El centro de reacción cargado de la clorofila (P680) se reduce luego a su estado fundamental al aceptar un electrón extraído del agua. El electrón que reduce P680 finalmente proviene de la oxidación del agua en O ₂ y H a través de varios intermediarios. Esta reacción es la forma en que los organismos fotosintéticos como las plantas producen O ₂gas, y es la fuente de prácticamente todo el O ₂ en la atmósfera de la Tierra. Photosystem I normalmente funciona en serie con Photosystem II; por lo tanto, el P700 del Fotosistema I generalmente se reduce cuando acepta el electrón, a través de muchos intermediarios en la membrana tilacoide, por electrones provenientes, en última instancia, del Fotosistema II. Sin embargo, las reacciones de transferencia de electrones en las membranas de los tilacoides son complejas y la fuente de electrones utilizada para reducir P700 puede variar.

El flujo de electrones producido por los pigmentos de clorofila del centro de reacción se utiliza para bombear iones H a través de la membrana tilacoidal, estableciendo una fuerza motriz de protones, un potencial quimiosmótico utilizado principalmente en la producción de ATP (energía química almacenada) o para reducir el NADP a NADPH. NADPH es un agente universal utilizado para reducir el CO ₂ en azúcares, así como otras reacciones biosintéticas.

Los complejos de clorofila-proteína del centro de reacción son capaces de absorber luz directamente y realizar eventos de separación de carga sin la ayuda de otros pigmentos de clorofila, pero la probabilidad de que eso suceda bajo una intensidad de luz dada es pequeña. Por lo tanto, las otras clorofilas en el fotosistema y las proteínas del pigmento de la antena absorben y canalizan la energía de la luz al centro de reacción. Además de la clorofila a, hay otros pigmentos, llamados pigmentos accesorios, que se encuentran en estos complejos de antena de pigmento-proteína.

Estructura química

Se conocen varias clorofilas. Todos se definen como derivados de la clorina original por la presencia de un quinto anillo que contiene cetona más allá de los cuatro anillos de tipo pirrol. La mayoría de las clorofilas se clasifican como clorinas, que son parientes reducidos de las porfirinas (que se encuentran en la hemoglobina). Comparten una ruta biosintética común con las porfirinas, incluido el precursor uroporfirinógeno III. A diferencia de los hemo, que contienen hierro unido al centro N4, la mayoría de las clorofilas se unen al magnesio. Los ligandos axiales unidos al centro de Mg a menudo se omiten para mayor claridad. Anexadas al anillo de clorina hay varias cadenas laterales, que generalmente incluyen una cadena larga de fitilo (C ₂₀ H ₃₉ O). La forma más ampliamente distribuida en las plantas terrestres es la clorofila a.. La única diferencia entre la clorofila a y la clorofila b es que la primera tiene un grupo metilo mientras que la segunda tiene un grupo formilo. Esta diferencia provoca una diferencia considerable en el espectro de absorción, lo que permite que las plantas absorban una mayor parte de la luz visible.

Las estructuras de las clorofilas se resumen a continuación:

• Estructuras de las clorofilas
• clorofila a
• clorofila b
• clorofila c ₁
• clorofila c ₂
• clorofila d
• clorofila f

Medición del contenido de clorofila

Las clorofilas se pueden extraer de la proteína en disolventes orgánicos. De esta forma, se puede estimar la concentración de clorofila dentro de una hoja. También existen métodos para separar la clorofila a y la clorofila b.

En el éter dietílico, la clorofila a tiene máximos de absorbancia aproximados de 430 nm y 662 nm, mientras que la clorofila b tiene máximos aproximados de 453 nm y 642 nm. Los picos de absorción de la clorofila a están a 465 nm y 665 nm. La clorofila a emite fluorescencia a 673 nm (máximo) y 726 nm. El coeficiente de absorción molar máximo de la clorofila a supera los 10 M cm, que se encuentra entre los más altos para los compuestos orgánicos de molécula pequeña. En agua con acetona al 90 %, las longitudes de onda de absorción máximas de la clorofila a son 430 nm y 664 nm; los picos de clorofila b son 460 nm y 647 nm; picos de clorofila c₁ son 442 nm y 630 nm; los picos de clorofila c ₂ son 444 nm y 630 nm; los picos de clorofila d son 401 nm, 455 nm y 696 nm.

La emisión de fluorescencia de relación se puede utilizar para medir el contenido de clorofila. Al excitar la fluorescencia de la clorofila a a una longitud de onda más baja, la proporción de emisión de fluorescencia de la clorofila en705 ± 10 nm y735 ± 10 nm puede proporcionar una relación lineal del contenido de clorofila en comparación con las pruebas químicas. La relación F ₇₃₅ / F ₇₀₀ proporcionó un valor de correlación de r 0,96 en comparación con las pruebas químicas en el rango de 41 mg m hasta 675 mg m. Gitelson también desarrolló una fórmula para la lectura directa del contenido de clorofila en mg m. La fórmula proporcionó un método confiable para medir el contenido de clorofila desde 41 mg m hasta 675 mg m con un valor de correlación r de 0,95.

Biosíntesis

En algunas plantas, la clorofila se deriva del glutamato y se sintetiza a lo largo de una vía biosintética ramificada que se comparte con el hemo y el sirohemo. La clorofila sintasa es la enzima que completa la biosíntesis de la clorofila a:clorofilida a + fitilo difosfato clorofila a + difosfato

Esta conversión forma un éster del grupo ácido carboxílico en la clorofilida a con el fitol de alcohol diterpénico de 20 carbonos. La clorofila b es producida por la misma enzima que actúa sobre la clorofilida b.

En las plantas de angiospermas, los últimos pasos en la vía biosintética dependen de la luz. Tales 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 se vuelven verdes incluso en la oscuridad.

La clorofila se une a las proteínas. La protoclorofilida, uno de los intermediarios biosintéticos, se presenta principalmente en forma libre y, en condiciones de luz, actúa como fotosensibilizador, formando radicales libres, que pueden ser tóxicos para la planta. Por lo tanto, las plantas regulan la cantidad de este precursor de la clorofila. En las angiospermas, esta regulación se logra en el paso del ácido aminolevulínico (ALA), uno de los compuestos intermedios en la ruta de biosíntesis. Las plantas alimentadas con ALA acumulan niveles altos y tóxicos de protoclorofilida; también lo hacen los mutantes con un sistema regulador dañado.

La senescencia y el ciclo de la clorofila

El proceso de senescencia de las plantas implica la degradación de la clorofila: por ejemplo, la enzima clorofilasa (EC 3.1.1.14) hidroliza la cadena lateral de fitilo para revertir la reacción en la que las clorofilas se biosintetizan a partir de la clorofilida a o b. Dado que la clorofilida a puede convertirse en clorofilida b y esta última puede reesterificarse en clorofila b, estos procesos permiten el ciclo entre las clorofilas a y b. Además, la clorofila b puede reducirse directamente (a través de la 7 - hidroxiclorofila a) de nuevo a clorofila a, completando el ciclo. En etapas posteriores de la senescencia, las clorofilidas se convierten en un grupo de tetrapirroles incoloros conocidos como catabolitos de clorofila no fluorescentes (NCC) con la estructura general:

Estos compuestos también se han identificado en frutos en maduración y dan colores otoñales característicos a las plantas de hoja caduca.

Distribución

Los mapas de clorofila muestran miligramos de clorofila por metro cúbico de agua de mar cada mes. Los lugares donde las cantidades de clorofila eran muy bajas, lo que indica una cantidad muy baja de fitoplancton, son azules. Los lugares donde las concentraciones de clorofila eran altas, lo que significa que crecía mucho fitoplancton, son amarillos. Las observaciones provienen del espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) en el satélite Aqua de la NASA. La tierra es de color gris oscuro y los lugares donde MODIS no pudo recopilar datos debido al hielo marino, la oscuridad polar o las nubes son de color gris claro. Las concentraciones más altas de clorofila, donde prosperan las diminutas plantas oceánicas que habitan en la superficie, se encuentran en aguas polares frías o en lugares donde las corrientes oceánicas traen agua fría a la superficie, como alrededor del ecuador y a lo largo de las costas de los continentes. No es el agua fría en sí misma la que estimula el fitoplancton. En cambio, las bajas temperaturas son a menudo una señal de que el agua ha subido a la superficie desde las profundidades del océano, transportando nutrientes que se han acumulado con el tiempo. En las aguas polares, los nutrientes se acumulan en las aguas superficiales durante los oscuros meses de invierno cuando las plantas no pueden crecer. Cuando regresa la luz del sol en la primavera y el verano, las plantas florecen en altas concentraciones.

Uso culinario

La clorofila sintética está registrada como colorante de aditivos alimentarios y su número E es E140. Los chefs usan la clorofila para dar color verde a una variedad de alimentos y bebidas, como la pasta y los licores. La absenta adquiere su color verde de forma natural a partir de la clorofila introducida a través de la gran variedad de hierbas utilizadas en su producción. La clorofila no es soluble en agua, y primero se mezcla con una pequeña cantidad de aceite vegetal para obtener la solución deseada.

Uso biológico

Un estudio de 2002 encontró que "las hojas expuestas a una luz fuerte contenían proteínas de antena principales degradadas, a diferencia de las que se mantuvieron en la oscuridad, lo que es consistente con los estudios sobre la iluminación de proteínas aisladas". Esto les pareció a los autores como apoyo a la hipótesis de que "las especies de oxígeno activo desempeñan un papel in vivo" en el comportamiento a corto plazo de las plantas.