Cómo la luz descompone el agua: la química del fotosistema II

Varios procesos parciales, no un único truco de la luz

Los organismos fotosintéticos captan energía luminosa mediante pigmentos y la transfieren a centros de reacción. En el fotosistema II, esta energía permite una separación de cargas. El déficit de electrones que se produce se compensa, en última instancia, con electrones procedentes del agua. La oxidación del agua genera oxígeno molecular y protones. Para ello es necesario coordinar varias transferencias de electrones; un solo cuanto de luz absorbido no lleva a cabo toda la transformación química. Un clúster metálico que contiene manganeso y calcio desempeña un papel central en el complejo liberador de oxígeno. Los procesos fotosintéticos posteriores aprovechan la energía y el poder reductor obtenidos en etapas adicionales. Por eso, la ecuación global habitual resulta útil como balance, pero es insuficiente como descripción del mecanismo. No muestra ni la organización espacial de las proteínas ni la secuencia de estados intermedios que hacen posible una reacción controlada.

Los estados intermedios se infieren mediante varios métodos

Los estados químicos decisivos son de corta duración y no todos pueden observarse de forma directa y completa con un único método. Los estudios estructurales muestran disposiciones espaciales, mientras que las técnicas espectroscópicas aportan información sobre los estados electrónicos y los entornos locales. Los cálculos de química cuántica ayudan a contrastar posibles estructuras y vías de reacción con esos datos experimentales. El grupo de investigación del Instituto Max Planck para la Investigación del Carbón describe expresamente esta conexión entre la espectroscopia y los modelos teóricos. Sin embargo, que una vía calculada sea energéticamente favorable no constituye por sí solo una prueba experimental de que esa sea exactamente la vía que se sigue en la proteína. A su vez, un espectro puede admitir varias explicaciones. Un modelo adquiere especial valor explicativo cuando explica simultáneamente distintas mediciones y predice nuevas diferencias verificables entre mecanismos rivales. Por tanto, investigar en este ámbito suele consistir en acotar progresivamente las posibilidades, más que en obtener una única imagen definitiva de toda la reacción.

La imitación artificial no tiene por qué reproducir fielmente la naturaleza

La oxidación natural del agua sirve de inspiración para sistemas artificiales destinados a almacenar energía luminosa en forma química. Para ello no es imprescindible reproducir la proteína biológica completa. Los catalizadores sintéticos pueden asumir funciones concretas con otros materiales. En ese caso, lo decisivo no es solo demostrar que la reacción se produce, sino también las necesidades energéticas, la durabilidad y la integración en un sistema completo. Un catalizador que genera oxígeno en condiciones especiales de laboratorio todavía no constituye una instalación lista para producir un vector energético almacenable. Están bien establecidos tanto el papel central del fotosistema II como el hecho de que el oxígeno liberado procede del agua. Los detalles de la secuencia de reacción y su aplicación tecnológica siguen siendo objeto de investigación. Por eso, la fotosíntesis natural reúne, a la vez, conocimientos fundamentales bien establecidos e interrogantes aún abiertos sobre aspectos concretos, sin que estos dos planos se contradigan ni tengan por qué justificar promesas espectaculares de aplicación.

Seguir descubriendo

• Boyas de medición que se sumergen: cómo Argo observa el océano desde dentro
• Más allá de la temperatura: cómo las boyas de medición registran los procesos biogeoquímicos
• Alimento a partir de energía química: cómo funcionan las comunidades de las profundidades marinas