Fotosíntesis: varios caminos conducen al centro de reacción
Químicos utilizan la química cuántica de alta precisión para estudiar los elementos clave de la transferencia de energía supereficiente en un importante elemento de la fotosíntesis
La fotosíntesis es el motor de toda la vida en la Tierra. Para convertir el dióxido de carbono y el agua en azúcar y oxígeno ricos en energía se requieren procesos complejos impulsados por la luz solar. Estos procesos están dirigidos por dos complejos proteínicos, los fotosistemas I y II. En el fotosistema I, la luz solar se aprovecha con una eficacia de casi el 100%. Aquí desempeña un papel decisivo una compleja red de 288 clorofilas. Un equipo dirigido por la química de la LMU Regina de Vivie-Riedle ha caracterizado ahora estas clorofilas con ayuda de cálculos químicos cuánticos de alta precisión, un hito importante hacia una comprensión exhaustiva de la transferencia de energía en este sistema y, potencialmente, poder explotar su eficiencia en sistemas artificiales en el futuro.
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Las clorofilas del fotosistema I captan la luz solar en un complejo de antenas y transfieren la energía a un centro de reacción. Allí, la energía solar se utiliza para desencadenar un proceso redox, es decir, un proceso químico por el que se transfieren electrones. El rendimiento cuántico del fotosistema I es de casi el 100%, lo que significa que casi todos los fotones absorbidos dan lugar a un proceso redox en el centro de reacción.
Simulación en condiciones naturales
"Aunque la complicada transferencia de energía dentro del fotosistema se ha estudiado durante décadas, hasta hoy no hay consenso sobre el mecanismo exacto", afirma de Vivie-Riedle. Para profundizar en el tema, los investigadores simularon la excitación luminosa de todas las clorofilas en un modelo de fotosistema I incrustado en una membrana lipídica. Para calcular las excitaciones electrónicas se utilizó un método multirreferencia de gran precisión. En comparación con estudios anteriores, este enfoque permite describir el fotosistema I basándose en la metodología más avanzada. Los complicados cálculos fueron posibles gracias al superordenador del Centro de Supercomputación Leibniz.
Los resultados del estudio, que aparece en la portada de la revista Chemical Science, revelan las llamadas "clorofilas rojas", que absorben la luz a energías ligeramente más bajas que sus vecinas debido a efectos electrostáticos ambientales. Como resultado, su espectro de absorción se desplaza hacia el rojo. De forma análoga, los investigadores también identificaron barreras energéticas entre el complejo de la antena y el centro de reacción, entre otros lugares. "Esto parece sorprendente a primera vista, porque no hay un gradiente obvio a lo largo del cual se transfiera energía desde el complejo de la antena al centro de reacción", explica el autor principal, Sebastian Reiter.
Las fluctuaciones superan las barreras energéticas
En condiciones fisiológicas, sin embargo, todo el fotosistema I está sujeto a fluctuaciones térmicas que superan estas barreras energéticas, ya que las energías relativas de las clorofilas cambian entre sí. De este modo, pueden abrirse constantemente nuevas vías hacia el centro de reacción, mientras que otras se cierran. Esto, según la tesis central de los autores, podría ser la clave de la alta eficiencia del fotosistema I.
"Nuestra simulación atomística de estos procesos permite una comprensión microscópica del sistema y su dinámica en su entorno natural, complementaria a los enfoques experimentales", concluye Regina de Vivie-Riedle, que también es miembro del clúster de excelencia de e-conversión. Uno de los objetivos del clúster es trasladar algún día la eficacia de los fotocatalizadores naturales a sistemas artificiales nano-biohíbridos para aplicaciones como la producción de hidrógeno como vector energético o la conversión de monóxido de carbono en combustible. Para ello es necesario comprender mejor el mecanismo de transferencia de energía. Con sus resultados sobre el fotosistema I, los científicos han dado un paso importante hacia la consecución de este objetivo.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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