¿Te has preguntado alguna vez en qué lugar y cómo se produce el oxígeno que respiramos? Seguramente tu primera respuesta sea: “en las plantas y en los organismos verdes durante la fotosíntesis”. Pero si la pregunta es ¿en qué lugar preciso y qué reacción lo produce?, seguramente te resulte más difícil encontrar una respuesta. No es de extrañar: la ciencia ha tardado siglos en responder a esta cuestión.
En el siglo XVIII las observaciones y experimentos del químico inglés Joseph Priestley (1733-1804), y de Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794), químico francés, desvelaron que las plantas liberan un gas –que se denominó oxígeno– que posibilita la vida animal. Se postuló que los animales consumen oxígeno y producen dióxido de carbono, y que las plantas consumen dióxido de carbono y producen oxígeno. Además, se observó que el oxígeno acelera la combustión e interviene en la oxidación de ciertos materiales.
Pero fue en 1969, hace ahora por tanto cincuenta y cinco años, cuando Pierre Joliot descubrió el mecanismo que produce oxígeno durante la fotosíntesis. El oxígeno se libera cuando las moléculas de agua (H2O) se rompen por medio de la activación de flashes de luz.
La reacción tiene lugar en el denominado fotosistema II, un complejo de proteínas y pigmentos insertado en el tilacoide: unas membranas localizadas en el interior de las células de los organismos fotosintéticos oxigénicos. En las plantas están dentro de los cloroplastos de la célula vegetal.
Los trabajos publicados un año más tarde por Bessel Kok completaron este hallazgo. Kok describió que la rotura (fotolisis) de las moléculas de agua se produce tras la sucesión de un periodo de cuatro pasos activados por flashes de luz. Kok llamó a cada uno de estos cuatro pasos ‘estado S’. El modelo propuesto se conoce como ciclo Kok-Joliot para el mecanismo fotosintético de producción de oxígeno.
Hasta entonces la tesis establecida era que el oxígeno (O2) liberado a la atmósfera se generaba a partir del dióxido de carbono (CO2) durante la fotosíntesis. El modelo de Kok-Joliot fue un cambio de paradigma: en las primeras etapas de la fotosíntesis, las moléculas de agua (H2O) se rompen en sus componentes y liberan electrones. Por el efecto de cuatro flashes de luz, dos moléculas de agua (2H2O) producen cuatro iones de hidrógeno (4H+), oxígeno molecular (O2) y cuatro electrones (4e−). Pero aún hubo que esperar para conocer la naturaleza de los “estados S”.
2H2O + 4 flashes luz → 4H+ + O2 + 4e−
La rotura del agua, activada por la luz, es una reacción muy sensible. Su rendimiento disminuye, o incluso se bloquea o inhibe, ante condiciones de estrés de diferente naturaleza: alta intensidad de luz, alta temperatura, frío, déficit y exceso de nutrientes, presencia de metales contaminantes, radiación UV, etc. Ello hace que la medida experimental del oxígeno liberado sea una técnica muy útil para el diagnóstico del estado de salud de cualquier planta u organismo fotosintético.
La utilidad del electrodo de oxígeno
Durante varias décadas, el electrodo de oxígeno fue un instrumento indispensable para tomar esta medida. En el actual Departamento de Biología Vegetal de la Estación Experimental de Aula Dei (EEAD-CSIC), este instrumento se utilizó entre los años 1987 y 2006 en diversas investigaciones.
Con esta técnica, se pudo identificar el mecanismo de toxicidad por cobre en plantas. Aunque este metal es un micronutriente esencial, en exceso es tóxico: causa daño en las células fotosintéticas e inhibe la actividad de desprendimiento de oxígeno.
El electrodo de oxígeno también sirvió para demostrar que la exposición de las plantas a herbicidas de tipo atrazina causa una mutación que afecta la actividad fotosintética y reduce la actividad de desprendimiento de oxígeno. Además, influye en la tolerancia al estrés por altas temperaturas en las plantas.
Otro trabajo en el que se empleó este dispositivo fue el que permitió conocer cómo la remolacha (Beta vulgaris L.) responde a la deficiencia de hierro y constatar que este estrés nutricional es el de mayor impacto en los árboles frutales instalados en los suelos calcáreos del área mediterránea. Asimismo, esta técnica también ayudó a demostrar que el mecanismo de adquisición de cobre en las plantas es diferente cuando se administra a través de las hojas o de la raíz, e influye, de manera diferente, en la adquisición de los nutrientes hierro y zinc.
El mecanismo de desprendimiento de oxígeno resuelto en detalle
Mientras resolvíamos estas cuestiones, las investigaciones sobre los ‘estados S’ del modelo Kok-Joilot seguían su curso. Aunque en 1937 André Pirson publicó que el manganeso era un elemento esencial para la fotosíntesis, hasta el año 2006 no se conoció el papel que desempeña y su función. Hoy sabemos, gracias a los trabajos de Junko Yano y sus colaboradores, que los ‘estados S’ están asociados a una molécula de manganeso (Mn) y calcio (Ca) que funciona como un catalizador en el tilacoide.
Esta molécula cataliza el desprendimiento del oxígeno fotosintético cuando se activa por la luz. Los detalles de su estructura atómica se conocieron unos años más tarde. La estructura tridimensional del fotosistema II de la cianobacteria termófila Thermosynechoccocus vulcanus, publicada en 2011 por Yasufumi Umena y colaboradores, reveló con detalle atómico el sitio de oxidación del agua donde se libera el oxígeno molecular. Este había permanecido esquivo hasta entonces, a pesar de los intensos trabajos realizados para descifrarlo.
La estructura resuelta eliminó las incertidumbres que había hasta entonces. En 2022, gracias al desarrollo de técnicas espectroscópicas de rayos X avanzadas, hemos conocido la composición y estructura de las cuatro oscilaciones de los ‘estados S’ (So → S1 → S2 → S3 → S4) del modelo de Kok-Joliot a nivel atómico. ¡El mecanismo de la reacción que librera oxígeno en la fotosíntesis ha sido resuelto!
Inmaculada Yruela es investigadora en la Estación Experimental Aula Dei del CSIC. En este centro de investigación se puede visitar una exposición instrumental en la que se incluye el electrodo de oxígeno que se menciona en el artículo.
