La clorofila es cualquiera de varios pigmentos verdes relacionados que se encuentran en las cianobacterias y en los cloroplastos de algas y plantas . [2] Su nombre se deriva de las palabras griegas χλωρός , khloros ("verde pálido") y φύλλον , phyllon ("hoja"). [3] La clorofila permite a las plantas absorber energía de la luz.
Las clorofilas absorben la luz con mayor fuerza en la porción azul del espectro electromagnético , así como en la porción roja. [4] Por el contrario, absorbe mal las porciones verdes y casi verdes del espectro. Por lo tanto, los tejidos que contienen clorofila aparecen verdes porque la luz verde, reflejada de manera difusa por estructuras como las paredes celulares, se absorbe menos. [1] Existen dos tipos de clorofila en los fotosistemas de las plantas verdes: clorofila a y b . [5]
La clorofila fue aislada y nombrada por primera vez por Joseph Bienaimé Caventou y Pierre Joseph Pelletier en 1817. [6] La presencia de magnesio en la clorofila fue descubierta en 1906, [7] y fue la primera detección de ese elemento en tejido vivo. [8]
Después del trabajo inicial realizado por el químico alemán Richard Willstätter entre 1905 y 1915, Hans Fischer esclareció la estructura general de la clorofila a 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. [8] [9] En 1967, Ian Fleming completó la última elucidación estereoquímica restante , [10] y en 1990 Woodward y sus coautores publicaron una síntesis actualizada. [11] En 2010 se anunció que la clorofila f estaba presente en las cianobacterias y otros microorganismos oxigenados que forman estromatolitos ; [12] [13] se dedujeron una fórmula molecular de C 55 H 70 O 6 N 4 Mg y una estructura de (2- formil ) -clorofila a basándose en espectros de masas, ópticos y de RMN. [14]
La clorofila es vital para la fotosíntesis , que permite a las plantas absorber energía de la luz . [15]
Las moléculas de clorofila están dispuestas dentro y alrededor de fotosistemas que están incrustados en las membranas tilacoides de los cloroplastos . [16] En estos complejos, la clorofila cumple tres funciones:
Las dos unidades de fotosistema actualmente aceptadas son el fotosistema I y el fotosistema II , que tienen sus propios centros de reacción distintos, denominados P700 y P680 , respectivamente. Estos centros reciben el nombre de la longitud de onda (en nanómetros ) de su máximo de absorción del pico rojo. La identidad, función y propiedades espectrales de los tipos de clorofila en cada fotosistema son distintas y están determinadas entre sí y por la estructura proteica que los rodea.
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 cargas. 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 + ) luego se reduce a su estado fundamental al aceptar un electrón extraído del agua. El electrón que reduce el P680 + proviene en última instancia 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 gas O 2 y es la fuente de prácticamente todo el O 2 en la atmósfera terrestre. El Fotosistema I normalmente funciona en serie con el Fotosistema II; así, el P700 + del fotosistema I suele reducirse a medida que acepta el electrón, a través de muchos intermediarios en la membrana tilacoide, por electrones que provienen, en última instancia, del fotosistema II. Sin embargo, las reacciones de transferencia de electrones en las membranas de 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 tilacoide, estableciendo una fuerza motriz de protones y un potencial quimiosmótico utilizado principalmente en la producción de ATP (energía química almacenada) o para reducir 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 determinada es pequeña. Por lo tanto, las otras clorofilas en el fotosistema y las proteínas pigmentarias de la antena absorben y canalizan de manera cooperativa la energía luminosa hacia el centro de reacción. Además de la clorofila a , existen otros pigmentos, llamados pigmentos accesorios , que se encuentran en estos complejos antena pigmento-proteína.
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 similares al pirrol. La mayoría de las clorofilas se clasifican como clorinas , que son parientes reducidas de las porfirinas (que se encuentran en la hemoglobina ). Comparten una vía biosintética común con las porfirinas, incluido el precursor uroporfirinógeno III . A diferencia de los hemos, que contienen hierro unido al centro N4, la mayoría de las clorofilas se unen al magnesio . Los ligandos axiales unidos al centro de Mg 2+ a menudo se omiten por motivos de claridad. Adjuntas al anillo de cloro hay varias cadenas laterales, que generalmente incluyen una larga cadena 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, permitiendo a las plantas absorber una mayor porción de luz visible.
Las estructuras de las clorofilas se resumen a continuación: [17] [18]
La clorofila e está reservada para un pigmento que se extrajo de las algas en 1966 pero no se describió químicamente. Además de las clofilas con letras, se conocen en la naturaleza una amplia variedad de modificaciones de las cadenas laterales de las estructuras de la clorofila. Por ejemplo, Proclorococo , una cianobacteria, utiliza 8-vinil Chla a y b . [19]
Las clorofilas se pueden extraer de la proteína en disolventes orgánicos. [20] [21] [22] De esta manera, se puede estimar la concentración de clorofila dentro de una hoja. [23] 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. [24] Los picos de absorción de la clorofila a están a 465 nm y 665 nm. La clorofila a fluoresce a 673 nm (máximo) y 726 nm. El coeficiente de absorción molar máximo de la clorofila a supera los 10 5 M −1 cm −1 , que se encuentra entre los más altos para compuestos orgánicos de moléculas pequeñas. [25] En acetona-agua al 90%, las longitudes de onda de absorción máxima de la clorofila a son 430 nm y 664 nm; los picos de clorofila b son 460 nm y 647 nm; los picos de clorofila c 1 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. [26]
La relación de emisión de fluorescencia 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 2 0,96 en comparación con las pruebas químicas en el rango de 41 mg m −2 hasta 675 mg m −2 . Gitelson también desarrolló una fórmula para la lectura directa del contenido de clorofila en mg m −2 . La fórmula proporcionó un método confiable para medir el contenido de clorofila desde 41 mg m -2 hasta 675 mg m -2 con un valor de correlación r 2 de 0,95. [27]
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 sirohema . [28] [29] [30] La clorofila sintasa [31] es la enzima que completa la biosíntesis de la clorofila a : [32] [33]
Esta conversión forma un éster del grupo ácido carboxílico en la clorofilida a con el alcohol diterpénico de 20 carbonos fitol . La clorofila b es producida por la misma enzima que actúa sobre la clorofilida b . Lo mismo se sabe de la clorofila d y f , ambas hechas de clorofilidas correspondientes, en última instancia hechas de clorofilida a . [34]
En las plantas angiospermas , los últimos pasos de la vía biosintética dependen 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 crecen verdes incluso en la oscuridad. [35]
La clorofila está unida a las proteínas . La protoclorofilida , uno de los intermedios 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. De ahí que las plantas regulen 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 vía de biosíntesis. Las plantas que se alimentan de ALA acumulan niveles altos y tóxicos de protoclorofilida; también lo hacen los mutantes con un sistema regulador dañado. [36]
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 aob . Dado que la clorofilida a se puede convertir en clorofilida by esta última se puede reesterificar a clorofila b , estos procesos permiten el ciclo entre las clorofilas a y b . Además, la clorofila b se puede reducir directamente (a través de 7 1 -hidroxiclorofila a ) de nuevo a clorofila a , completando el ciclo. [37] [38] 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 maduros y dan colores otoñales característicos a las plantas de hoja caduca . [38] [39]
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 cantidades muy bajas 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) del 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 pequeñas plantas oceánicas que habitan en la superficie , se encuentran en las frías aguas polares 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 la que estimula el fitoplancton. En cambio, las temperaturas frías 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 vuelve la luz del sol en primavera y verano, las plantas florecen en altas concentraciones. [40]
La clorofila sintética está registrada como colorante de aditivo alimentario y su número E es E140 . Los chefs usan clorofila para colorear de verde una variedad de alimentos y bebidas, como pastas y licores. La absenta adquiere su color verde de forma natural gracias a la clorofila introducida a través de la gran variedad de hierbas utilizadas en su producción. [41] La clorofila no es soluble en agua y primero se mezcla con una pequeña cantidad de aceite vegetal para obtener la solución deseada . [ cita necesaria ]
Un estudio de 2002 encontró que "las hojas expuestas a una luz intensa contenían proteínas antena principales degradadas , a diferencia de las mantenidas en la oscuridad, lo que concuerda con estudios sobre la iluminación de proteínas aisladas ". Esto les pareció a los autores un apoyo a la hipótesis de que " las especies activas de oxígeno desempeñan un papel in vivo " en el comportamiento a corto plazo de las plantas. [42]
De la pág. 49:
"Das Hauptproduct der alkalischen Hydrolyse bilden tiefgrüne Alkalisalze. In ihnen liegen complexe Magnesiumverbindungen vor, die das Metall in einer gegen Alkali auch bei hoher Temperatur merkwürdig broadstandsfähigen Bindung enthalten."
(Las sales alcalinas de color verde oscuro constituyen el producto principal de la hidrólisis alcalina. En ellas están presentes compuestos complejos de magnesio, que contienen el metal en un enlace extraordinariamente resistente a los álcalis incluso a altas temperaturas).
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