¿Qué es la fotólisis?
¿Qué es la fotólisis?
La fotólisis es un proceso químico por medio del cual la absorción de luz (energía radiante) permite la ruptura de una molécula en componentes más pequeños. Es decir, la luz brinda la energía requerida para que una molécula se rompa en las partes que la componen. También se conoce con los nombres de fotodescomposición o fotodisociación.
La fotólisis del agua, por ejemplo, es fundamental para la existencia de formas de vida compleja en el planeta. Esta la llevan a cabo las plantas empleando la luz del sol.
La ruptura de moléculas de agua (H₂O) brinda como resultado oxígeno molecular (O2): el hidrógeno es empleado para el almacenamiento de poder reductor.
En términos generales, podemos decir que las reacciones fotolíticas involucran la absorción de un fotón. Este proviene de una energía radiante de distintas longitudes de onda, y, por lo tanto, con diferentes cantidades de energía.
Una vez absorbido el fotón, pueden ocurrir dos cosas. En una de ellas, la molécula absorbe la energía, se excita y luego termina relajándose. En la otra, esa energía permite la ruptura de un enlace químico. Esta es la fotólisis.
Este proceso puede estar acoplado a la formación de otros enlaces. La diferencia entre una absorción que genera cambios a una que no, se denomina rendimiento cuántico.
Es particular de cada fotón porque depende de la fuente de emisión de energía. El rendimiento cuántico se define como el número de moléculas de reactante modificadas por fotón absorbido.
La fotólisis en los seres vivos
La fotólisis del agua no es algo que ocurre espontáneamente. Es decir, la luz del sol no rompe los enlaces de hidrógeno con el oxígeno porque sí. La fotólisis del agua no es algo que simplemente ocurre, se hace. Y lo hacen los organismos vivos capaces de llevar a cabo la fotosíntesis.
Para realizar este proceso, los organismos fotosintéticos recurren a las denominadas reacciones de la luz de la fotosíntesis. Y para conseguirlo emplean, obviamente, moléculas biológicas, la más importante de las cuales es la clorofila P680.
En la denominada Reacción de Hill, varias cadenas transportadoras de electrones permiten que a partir de la fotólisis del agua se obtenga oxígeno molecular, energía en forma de ATP, y poder reductor en la forma de NADPH.
Los dos últimos productos de esta fase luminosa serán empleados en la fase de la oscuridad de la fotosíntesis (o Ciclo de Calvin) para asimilar CO₂ y producir carbohidratos (azúcares).
Fotosistemas I y II
Estas cadenas transportadoras se llaman fotosistemas (I y II) y sus componentes se ubican en los cloroplastos. Cada uno de ellos emplea distintos pigmentos, y absorben luz de distintas longitudes de onda.
El elemento central de todo el conglomerado es el centro colector de luz formado por dos tipos de clorofila (a y b), distintos carotenoides y una proteína de 26 kDa.
Los fotones captados son luego transferidos a los centros de reacción en los cuales ocurren las reacciones ya mencionadas.
Hidrógeno molecular
Otra manera en que los seres vivos han empleado la fotólisis del agua involucra la generación de hidrógeno molecular (H2).
Aunque los seres vivos pueden producir hidrógeno molecular por otras vías (por ejemplo, por acción de la enzima formiatohidrogenoliasa bacteriana), la producción a partir de agua es una de las más económicas y eficientes.
Este es un proceso que aparece como un paso adicional posterior o independiente al de la hidrólisis del agua. En este caso, los organismos que pueden llevar a cabo las reacciones de la luz son capaces de hacer algo adicional.
El uso de H+ (protones) y e- (electrones) derivados de la fotólisis del agua para crear H2 solo se ha reportado en cianobacterias y en algas verdes. En la forma indirecta, la producción de H2 es posterior a la fotólisis del agua y la generación de carbohidratos.
La llevan a cabo ambos tipos de organismos. La otra forma, la fotólisis directa, es más interesante aún y solo la llevan a cabo las microalgas.
La fotólisis directa involucra la canalización de los electrones derivados de la ruptura lumínica del agua del fotosistema II directamente a la enzima productora del H2 (hidrogenasa).
Esta enzima, sin embargo, es altamente susceptible a la presencia de O2. La producción biológica de hidrógeno molecular por fotólisis del agua es un área de activa investigación. Pretende brindar alternativas de generación de energía baratas y limpias.
La fotólisis no biológica
Degradación del ozono por luz ultravioleta
Una de las fotólisis no biológicas y espontáneas más estudiadas es la de la degradación del ozono por luz ultravioleta (UV). El ozono, un azeotropo del oxígeno, está constituido por tres átomos del elemento.
El ozono está presente en diversas zonas de la atmósfera, pero se acumula en una a la que llamamos ozonosfera. Esta zona de alta concentración de ozono protege a todas las formas de vida de los efectos dañinos de la luz UV.
Aunque la luz UV juega un papel importantísimo tanto en la generación como en la degradación del ozono, representa uno de los casos más emblemáticos de la ruptura molecular por energía radiante.
Por un lado, nos indica que no solo la luz visible es capaz de brindar fotones activos para la degradación. Además, en conjunto con actividades biológicas de generación de la molécula vital, contribuye a la existencia y regulación del ciclo del oxígeno.
Otros procesos
La fotodisociación es también la principal fuente de ruptura de las moléculas en el espacio interestelar. Otros procesos de fotólisis, esta vez manipulados por el ser humano, tienen importancia industrial y científica, básica y aplicada.
La fotodegradación de compuestos de origen antrópico en las aguas recibe una atención creciente. La actividad humana determina que, en muchas ocasiones, antibióticos, fármacos, pesticidas y otros compuestos de origen sintético, terminen en el agua.
Una manera de destruir, o al menos disminuir, la actividad de estos compuestos es a través de reacciones que involucran el uso de energía lumínica para romper enlaces específicos de esas moléculas.
En las ciencias biológicas es muy común encontrar compuestos complejos fotorreactivos. Una vez presentes en células o tejidos, algunos de ellos son sometidos a algún tipo de radiación lumínica para romperlos.
Esto genera la aparición de otro compuesto, cuyo seguimiento o detección permiten dar respuesta a multitud de preguntas básicas.
En otros casos, el estudio de compuestos derivados de una reacción de fotodisociación acoplada a un sistema de detección, permite llevar a cabo estudios globales de composición de muestras complejas.
Referencias
- Brodbelt, J. S. Photodissociation mass spectrometry: New tools for characterization of biological molecules. Chemical Society Reviews.
- Cardona, T., Shao, S., Nixon, P. J. Enhancing photosynthesis in plants: the light reactions. Essays in Biochemistry.