Feliz Navidad Mr. Lawrence
«Every so often someone manages to remove another stone from the wall through which we all want to see, and the crowds tend to flock around the new peep hole». [A veces alguien quita una piedra del muro por el cual todos ansiamos mirar y nos abalanzamos sobre el nuevo agujero].
Estas fueron las palabras de Bessel Kok hacia Lawrence Blinks y Robert Emerson por sus descubrimientos sobre la fotosíntesis. Las pronunció en Warrenton (VA, EEUU) durante un congreso, en 1963.
Me centraré en Blinks, quien dedicó una larga y brillante carrera al estudio fisiológico de las algas, en particular la fotosíntesis. Con él aprendimos que la fotosíntesis no es ciega a los colores y todo ello gracias al «Efecto Blinks». Pero si queremos entender qué es el «Efecto Blinks» (nada que ver con un desodorante) antes hay que explicar un par de cosillas sobre la fotosíntesis…
Lawrence Blinks (1900-1989), fue miembro de la National Academy of Sciences y director de la Stanford’s Hopkins Marine Station durante 21 años. Fuente: Thorhaug & Berlyn (2009).
Gracias a ella los vegetales aprovechan la energía solar para fabricar sustancias orgánicas, base de la vida en nuestro planeta. Entender en qué consiste la fotosíntesis puede provocar un mes de jaqueca, pero lo intentaré resumir de forma sencilla y harto divertida.
La fotosíntesis permite sintetizar compuestos orgánicos (azúcares) a partir de moléculas simples: consume CO2 + agua y libera oxígeno.
La «fotosíntesis artificial» no está conseguida a escala industrial, aunque desarrollar la tecnología necesaria en este sentido supondrá (estoy seguro) acceder a una fuente de energía renovable en forma de hidrógeno o metanol.
Ian McEwan usó la fotosíntesis artificial como telón de fondo para los enredos del protagonista de su novela «Solar», el físico Michael Beard, un desastre con patas que dirige un instituto de energías renovables.
Solar (2010)
A lo que íbamos. La fotosíntesis: piensen en una bici «mágica» que se mueve gracias a la luz. Los «pedales» serían las antenas fotosintéticas, las «ruedas» los fotosistemas I y II y la «cadena de transmisión» la cadena de transporte de electrones.
Las antenas fotosintéticas son pigmentos+proteínas que capturan fotones de luz visible para cada fotosistema. Los fotones que capta la antena del fotosistema II viajan a un centro de reacción (en última instancia una molécula de clorofila a) que posee 4 iones Manganeso a los que consiguen arrancar hasta 4 electrones. Éstos pasan a su vez a la cadena de transporte de electrones que transmite la excitación al fotosistema I.
Las partes del cloroplasto. Autor: Ollin. Fuente: Wikimedia commons.
Los electrones perdidos por los iones Manganeso se recuperan mediante la oxidación del agua, que libera oxígeno e hidrógeno. Oxidarse es perder electrones, no lo olviden nunca queridos(as)…
Así que el fotosistema II es responsable del oxígeno que produce la fotosíntesis. Mientras, el hidrógeno del agua se acumula dentro de unas estructuras en forma de saco, los tilacoides, y acidifica su medio interno (lumen).
El gradiente de hidrógeno (diferencia de pH) respecto al medio externo de los tilacoides (estroma) es la fuerza motriz que genera energía para fabricar ATP, mientras que los electrones que llegan al fotosistema I permiten sintetizar NADPH. Ambas moléculas concentran la energía química que se emplea en la mal llamada «fase oscura» de la fotosíntesis (ésa que sólo ocurre durante el día!!) donde se producen moléculas simples como el gliceraldehído-3-fosfato durante el ciclo de Calvin, inicio de la síntesis de azúcares como la glucosa y demás moléculas orgánicas en los vegetales.
Autor: Fuente: Wikimedia commons.
Todo esto les causará chispazos (de placer o dolor) en su memoria de estudiantes. Si prefieren ver un vídeo, aprovechando que estamos en internet, les recomiendo este enlace (en inglés, of course). Pero por favor vuelvan otra vez que aún queda lo mejor.
Nuestro hombre de hoy, Lawrence Blinks, es y será recordado principalmente por dos asuntos: el electrodo de oxígeno «Haxo-Blinks» y sí !! tachán-chaaaaán!!!!: el «Efecto Blinks».
Pero antes de continuar, unos minutos musicales dedicados a Mr. Lawrence Blinks, y qué mejor que esto…
Porphyra nereocystis. El alga roja que estudiaron Haxo & Blinks en un famoso trabajo de 1950. Fuente: Introduction to Rhodophyta.
A Blinks le interesaban especialmente las algas rojas porque planteaban un desafío especial. Poseen ficoeritrina, un pigmento que refleja la luz roja y es responsable del color típico de esas algas.
Absorbe luz a longitudes de onda intermedias (color verde) donde otros pigmentos (clorofilas y carotenoides) son muy torpes.
Cuando comenzó su trabajo nadie sabía si la ficoeritrina era activa en la fotosíntesis, todo el protagonismo era para las clorofilas. Y Mr. Lawrence tenía muchas algas rojas cerca de su laboratorio en Pacific Grove (California).
Clorofilas y carotenoides absorben en longitudes de onda bajas o altas, mientras que la ficoeritrina y ficocianina aprovechan las intermedias. Fuente: Wageningenur.
En los años 30′ todo era casero y éste fue otro mérito añadido de científicos como Blinks: ellos mismos desarrollaban los instrumentos que necesitaban (o perfeccionaban diseños anteriores) para realizar las ideas y experimentos que bullían en su cabeza.
Diagrama del electrodo de platino para medir producción de oxígeno de Haxo & Blinks. Fuente: Fig. 1, Haxo & Blinks (1950).
El electrodo de oxígeno de «Haxo-Blinks» (Blinks & Skow, 1938; Haxo & Blinks 1950) era una técnica sensible y precisa para determinar la tasa de fotosíntesis tanto en algas como suspensiones de cloroplastos, a partir de la producción de oxígeno.
Con él, Blinks y sus colaboradores se lanzaron a estudiar algas verdes, pardas y rojas, a las que iluminaban con luces de todos los colores para comprobar cómo absorbían la luz (espectros de absorción) y cuantificar la fotosíntesis (espectros de acción).
Para ello emplearon otro ingenioso diseño: un monocromador que emitía haces de luz de sólo 10 nm de ancho de banda, que iban moviendo desde 400 a 700 nm para cubrir el espectro de luz visible. Realizar un espectro completo les llevaba de 3 a 6 horas, pero los resultados finales fueron sorprendentes y revolucionarios.
Espectros de absorción y acción de Ulva y Porphyra. Fuente: Haxo & Blinks (1950).
Así que en 1946 Blinks se encerró a trabajar junto a un joven estudiante (Francis Haxo), en un laboratorio oscuro de Pacific Grove del que [«apenas salían para escuchar a las focas en la costa y oler las sardinas de las fábricas de conservas de Cannery Row»; (Haxo, 2008)].
Cuando Blinks publicó los resultados de aquel trabajo en un congreso en Chicago (1949), la prensa publicó titulares como «California Scientists Challenge Role Of Chlorophyll» [Científicos de California desafían el papel de la clorofila].
No sólo habían descubierto que la ficoeritrina sí era activa en la fotosíntesis, sino que aparentemente la mitad de la clorofila no lo era. En la gráfica superior está el alga verde Ulva. El espectro de absorción (puntos blancos) y de acción (negros) son parecidos. Significa que todo lo que absorbe activa a su vez la producción de oxígeno en fotosíntesis. Debajo está el alga roja Porphyra: los puntos negros sólo se acercan al espectro de acción en la parte media del espectro, donde absorbe la ficoeritrina. En los extremos, donde absorben las clorofilas, la producción de oxígeno es muy baja.
La explicación es que la antena fotosintética principal de las algas rojas son los ficobilisomas, con pigmentos como la ficoeritrina. Los ficobilisomas solo se encuentran en las cianobacterias y en algunos eucariotas: algas rojas y glaucofíceas. Y a diferencia de éstas, las algas pardas y verdes no poseen ficobilisomas por lo que sus espectros de absorción y acción no tienen nada que ver. Volviendo al símil de la bici: los «pedales» de las algas rojas captan luz mediante la ficoeritrina mientras que en las demás son las clorofilas y carotenoides.
Fuente: lookfordiagnosis.com
El «efecto Blinks». Mr. Lawrence siguió tirando del hilo y descubrió otro curioso fenómeno en Porphyra: si iluminaba con luz roja (675 nm) y luego verde (560 nm) se producía un incremento en la fotosíntesis mientras que si lo hacía al revés (del verde al rojo) la producción de oxígeno disminuía. Lo explicó por cambios en la respiración. Las algas también respiran, son eucariotas y tienen mitocondrias como nosotros, pero ésa no era la razón…
En realidad, el «efecto Blinks» fue la primera evidencia de que existían dos reacciones (fotosistemas I y II) en la fotosíntesis.
Él no lo podía saber, pero los ficobilisomas son la antena del fotosistema II. La ficoeritrina absorbe luz verde pero no roja: activa el fotosistema II, que produce oxígeno y transfiere electrones al fotosistema I. Sin embargo, el efecto de la luz roja es otro porque sólo la absorben las clorofilas: la luz roja activa las reacciones del fotosistema I que no producen oxígeno, sólo poder reductor.
El «efecto Blinks» sirvió de inspiración para que Robert Emerson demostrase en 1957 la existencia de 2 reacciones fotosintéticas en el alga verde Chlorella con el «efecto Emerson», lo cual llevó a caracterizar finalmente los fotosistemas I y II. Pero ésa es otra historia y por hoy ya es suficiente…
Desde aquí les deseo a todas y todos Feliz Navidad !!
Referencias:
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