Los cloroplastos son orgánulos que transforman energía

Te contamos como se produce la energía en los cloroplastos a partir de la energía lumínica, cual es el origen de este orgánulo tan importante en la célula vegetal.


Un cloroplasto y sus partes
Maqueta de un cloroplasto con corte transversal y sagital

El sol emite todo tipo de radiación electromagnética, y las plantas usan la energía que aparece en forma de luz visible para lograr el salvaje y mágico proceso de la fotosíntesis.


La fotosíntesis no es mágica, es la genialidad química de pequeñas estructuras celulares llamadas cloroplastos, un tipo de orgánulo que se encuentra solo en plantas y algas eucariotas (eucariotas significa que poseen un núcleo claramente definido) que captura la luz solar y convierte esa energía en alimento para la planta.



Los cloroplastos evolucionaron a partir de bacterias antiguas

Los cloroplastos funcionan de manera muy similar a las mitocondrias, otro tipo de orgánulo que se encuentra en las células eucariotas responsables de la producción de energía, lo cual no es sorprendente, ya que ambos evolucionaron cuando una bacteria de hace mucho tiempo fue envuelta por una bacteria más grande.


Resultó en una especie de cooperación forzada entre dos organismos que ahora explicamos a través de algo llamado " hipótesis del endosimbionte ". Tanto los cloroplastos como las mitocondrias se reproducen de forma independiente del resto de la célula y tienen su propio ADN.


Esquema de cloroplasto dentro de la célula

Los cloroplastos se pueden encontrar en cualquier parte verde de la planta, y son básicamente una bolsa dentro de una bolsa (lo que significa que hay membranas dobles), que contienen muchas bolsas pequeñas (estructuras llamadas tilacoides) que contienen un pigmento que absorbe la luz llamado clorofila que está suspendido en un líquido (llamado estroma).


La clave de la magia fotosintética de un cloroplasto está en sus membranas. Debido a que un cloroplasto comenzó hace mucho tiempo como una bacteria independiente con su propia membrana celular, estos orgánulos tienen dos membranas celulares: la membrana externa es un sobrante de la célula que envuelve a la bacteria y la membrana interna es la membrana original de la bacteria.


Piense en la membrana exterior como el papel de envolver de un regalo y la membrana interior como la caja en la que vino el juguete originalmente. El espacio más importante para la fotosíntesis es el que se encuentra entre el interior de la caja y el juguete: los tilacoides.



Los cloroplastos se ejecutan en gradientes, como baterías

La doble membrana de un cloroplasto crea dos divisores con cuatro espacios distintos: el espacio fuera de la célula; el citoplasma dentro de la célula; el estroma dentro del cloroplasto, pero fuera del tilacoide (también conocido como el espacio entre las membranas interna y externa, el papel de envolver y la caja); y el espacio tilacoide, básicamente dentro de la bacteria original. 


Los propios tilacoides son solo pequeñas pilas de bolsas cubiertas de membranas, definidas por sus membranas, de hecho.


Fotomicrografía del interior de un cloroplasto

Estas membranas son divisores que no permiten que las cosas pasen de un espacio a otro, permitiendo que el cloroplasto acumule partículas cargadas eléctricamente en ciertas áreas y las mueva de un espacio a otro a través de canales específicos.


"Así es como funcionan las baterías", dice Brandon Jackson, profesor asociado en el Departamento de Ciencias Biológicas y Ambientales de la Universidad de Longwood en Farmville, Virginia. "Se necesita energía para poner muchos electrones negativos en un extremo de la batería y muchas cargas positivas en el otro. Si conecta los dos extremos con un cable, los electrones querrán fluir hacia abajo para aplanar el electro- gradiente químico entre ellos.


Quieren fluir tanto que, si pones algo a lo largo de ese cable, como una bombilla, un motor o un chip de computadora, se abrirán paso y se harán útiles a medida que se mueven.  El movimiento seguirá liberando energía, pero igual calor.


Según Jackson, para fabricar una batería en una celda vegetal, debe haber una fuente de energía y algunos divisores para crear y mantener gradientes. Si se permite que el gradiente se aplana, parte de la energía que se usó para crearlo escapa.


Entonces, en el caso de la batería de cloroplasto, se crea un gradiente electroquímico cuando la planta absorbe la energía del sol y las membranas que cubren los tilacoides actúan como divisores entre diferentes concentraciones de iones de hidrógeno (protones) que han sido arrancados de moléculas de agua.



Sigue la energía

Hay mucha química dentro de un cloroplasto, pero el resultado de la química es la conversión de la luz solar en energía almacenada, básicamente la creación de una batería.


El sol brilla sobre una hoja. Esa energía solar excita los electrones dentro de las moléculas de agua en la hoja, y debido a que los electrones excitados rebotan mucho, los átomos de hidrógeno y oxígeno en las moléculas de agua se rompen, lanzando estos electrones excitados a la primera etapa de la fotosíntesis: un conglomerado de enzimas, proteínas y pigmentos llamados fotosistema II, que descomponen el agua, produciendo iones de hidrógeno (protones que se usarán en la batería y gas oxígeno que flotará en el aire como basura vegetal).


Flor a la luz del sol

Estos electrones energizados se transmiten a otras proteínas unidas a la membrana que usan esa energía para impulsar bombas de iones que escoltan los iones de hidrógeno desde el espacio entre las membranas hacia el espacio tilacoide, que es donde ocurren todas las reacciones de fotosíntesis dependientes de la luz.


Los fotosistemas y las bombas de electrones cubren las superficies de las membranas de tilacoides, bombeando los iones de hidrógeno del estroma (el espacio de fluido entre el tilacoide y la membrana interna) hacia las pilas y pilas de bolsas de tilacoides. Es lo que crea el gradiente electroquímico.


De esta manera, la energía de la luz, esa cosa que brilla en tu cara cuando sales al exterior, se convierte en una especie de batería, como las que hacen funcionar tus auriculares inalámbricos.


En este punto, el fotosistema I se hace cargo de organizar el almacenamiento temporal de la energía generada por la batería. Ahora que se ha permitido que el electrón se mueva a lo largo del gradiente, está mucho más relajado, por lo que absorbe algo de luz para reactivarlo y pasa esa energía a una enzima especial que usa, el electrón y un protón de repuesto para producir NADPH, que es una molécula transportadora de energía que proporciona almacenamiento a corto plazo de energía química que luego se utilizará para producir glucosa.


En este punto, la energía de la luz está ahora en dos lugares: está almacenada en el NADPH y como gradiente electroquímico de la diferencia en la concentración de iones de hidrógeno dentro del tilacoide en comparación con lo de fuera del estroma.


"Pero el alto gradiente de iones de hidrógeno dentro del tilacoide necesita degradarse", dice Jackson. "Los gradientes representan la 'organización', esencialmente lo opuesto a la entropía. Y la termodinámica nos dice que la entropía siempre intentará aumentar, lo que significa que un gradiente debe descomponerse.


Entonces, los iones de hidrógeno dentro de cada tilacoide realmente quieren escapar para igualar las concentraciones a ambos lados de esa membrana interna. Pero las partículas cargadas no pueden pasar a través de una bicapa de fosfolípidos en cualquier lugar; necesitan algún tipo de canal para atravesar, al igual que los electrones necesitan un cable para llegar desde un lado de la batería al otro."


El canal por el que pasan los iones de hidrógeno es un motor. Estos protones fluyen a través del canal que se les proporciona, como el agua que fluye a través de una presa hidroeléctrica por un gradiente de elevación, y ese movimiento produce suficiente energía para crear una reacción que crea ATP, que es otra forma de almacenamiento de energía a corto plazo.


Ahora, la energía luminosa original se ha convertido en energía química de almacenamiento a corto plazo en forma de NADPH y ATP, que será útil más adelante en las reacciones oscuras (también conocidas como ciclo de Calvin o ciclo de fijación de carbono) dentro del cloroplasto.


Todo lo cual desciende en el estroma porque este líquido contiene una enzima que puede convertir NADPH, ATP y dióxido de carbono en azúcares que alimentan la planta, ayudan en la respiración o se utilizan para producir celulosa.


"Las moléculas orgánicas complejas como la celulosa, que está hecha de glucosa, requieren mucha energía para producirse y todas provienen del sol", dice Jackson. 


"Siguiendo la energía, comienza como energía de onda de luz, luego energía de electrones excitados, luego energía de gradiente electroquímico, luego energía química en forma de NADPH y ATP. El gas oxígeno se exhala, y el NADPH y el ATP no acostumbran hacer otra cosa dentro de la célula; en cambio, ambos pasan al ciclo de fijación de carbono, donde otras enzimas los descomponen, extraen esa energía y la usan para construir glucosa y otras moléculas orgánicas ".





Fuente: HowStuffWorks.com.

https://pdb101.rcsb.org/motm/59

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