¿Qué son los cloroplastos y cómo funcionan en la fotosíntesis?

En este artículo se explora la naturaleza biológica de los cloroplastos, la forma en que su compleja arquitectura interna facilita la conversión de la energía lumínica y las evidencias científicas de su origen evolutivo en los organismos eucariotas fotosintéticos.

¿Qué es exactamente un cloroplasto y cuál es su función principal?

Los cloroplastos son orgánulos celulares propios de los organismos eucariotas fotosintetizadores, encargados de llevar a cabo el proceso de la fotosíntesis. Su función fundamental consiste en capturar la energía lumínica del sol para transformarla en energía química utilizable por la célula, como el ATP y el NADPH, utilizando moléculas de clorofila y otros pigmentos ubicados en sus membranas internas.

El término puede referirse de manera general a cualquier plasto dedicado a la fotosíntesis o, de forma más específica, a los plastos verdes característicos de las plantas terrestres y las algas verdes. Además de las plantas, ciertos organismos excepcionales como el molusco Elysia chlorotica pueden adquirir y retener cloroplastos procedentes de algas en sus propios tejidos para realizar fotosíntesis temporalmente.

¿Cómo está estructurado internamente un cloroplasto?

El cloroplasto se encuentra delimitado por una envoltura de dos membranas concéntricas que separan su cavidad interna del citoplasma circundante. La membrana externa destaca por su elevada permeabilidad gracias a la presencia de porinas, mientras que la membrana interna cuenta con proteínas transportadoras específicas. En el interior se halla una matriz denominada estroma, la cual contiene ADN circular bicatenario, ribosomas de tipo 70S y gránulos de almidón.

Inmersos en el estroma se ubican los tilacoides, que son sáculos aplanados limitados por membranas que en las plantas terrestres se apilan formando estructuras llamadas grana. Las membranas tilacoidales albergan los complejos de pigmentos fotosintéticos, componentes de la cadena de transporte de electrones y enzimas como la ATP sintasa. Asimismo, pueden encontrarse plastoglóbulos compuestos por lípidos y moléculas orgánicas asociados a las membranas tilacoidales.

¿De qué manera se desarrollan las fases lumínica y oscura de la fotosíntesis?

El proceso fotosintético se divide en dos fases principales que ocurren en compartimentos diferentes del orgánulo. La fase luminosa se desarrolla en la membrana de los tilacoides, donde la clorofila y otros pigmentos absorben la energía de la luz solar para accionar la cadena de transporte de electrones y sintetizar ATP y NADPH.

Por su parte, la fase oscura tiene lugar en el estroma del cloroplasto. En este compartimento se encuentra la enzima RuBisCO, la cual cataliza la fijación del dióxido de carbono atmosférico mediante el ciclo de Calvin para producir compuestos orgánicos esenciales para la planta.

¿Qué papel desempeñan los pigmentos y cromóforos en la captura de luz?

Los pigmentos fotosintéticos son moléculas asociadas a proteínas encargadas de absorber longitudes de onda específicas de la luz visible. La clorofila a es el cromóforo principal presente en todos los cloroplastos, absorbiendo principalmente luz roja y azul mientras refleja la verde. Además, existen pigmentos accesorios como las clorofilas secundarias y los carotenoides, que captan energía de otros rangos del espectro luminoso.

Estos pigmentos accesorios forman complejos antena alrededor de los centros de reacción, permitiendo que los organismos exploten hábitats con diferentes condiciones lumínicas, como ocurre con ciertas algas adaptadas a vivir en mayores profundidades marinas gracias a la captación de luz azulada.

¿Cómo se originaron los cloroplastos a través de la evolución?

Los cloroplastos tienen su origen evolutivo en un proceso de simbiogénesis o endosimbiosis primaria, mediante el cual un protista heterótrofo incorporó a una bacteria fotosintética oxigénica, concretamente una cianobacteria ancestral. Este acontecimiento único dio origen a la primera célula vegetal y al clado Archaeplastida.

Posteriormente, la historia evolutiva de los plastos se enriqueció mediante eventos de endosimbiosis secundaria y terciaria, donde eucariotas heterótrofos integraron algas rojas o verdes ya formadas, diversificando los linajes de algas y cromistas actuales.

Sources & Further Reading

• Bruce, B. D. (2000). Chloroplast transit peptides: structure, function and evolution. Trends in Plant Science, 5(10), 434-441. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S096289240001833X
• Karp, Gerald. (2011). Biología Celular y Molecular: Conceptos y Experimentos. McGraw-Hill.
• Enrique Flores, A. H. (2008). The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genomics and Evolution. Horizon.
• Janouškovec, Ivan et al. (2010). A common red algal origin of the apicomplexan, dinoflagellate, and heterokont plastids. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 107(24), 10949-10954. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1003335107