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Química

Las sombrillas coloridas de las plantas

Un estudio de la dinámica de moléculas comprueba que un colorante natural protege a las hojas del exceso de luz

Léo RamosFlor de pascua o estrella federal (Euphorbia pulcherrima): el pigmento que tiñe de rojo las hojas también las protege de los daños que causa la radiación solarLéo Ramos

Las hojas rojas alrededor de las pequeñas flores de la estrella federal o pastora llaman la atención de las aves e insectos polinizadores. Pero muchos investigadores se hallan cada vez más convencidos de que, más allá de transmitir mensajes a los animales, los colorantes responsables de la mayoría de los azules y rojos del reino vegetal, unas sustancias conocidas como antocianinas, cumplen funciones vitales para el organismo de las plantas.

Un trabajo conjunto entre los laboratorios liderados por los químicos Frank Herbert Quina, de la Universidad de São Paulo (USP), y António Maçanita, del Instituto Superior Técnico de Lisboa, en Portugal, están acumulando evidencias que corroboran una antigua teoría sobre las antocianinas: la que sostiene que esos pigmentos protegen a las hojas, especialmente a las más jóvenes y las más viejas, contra el efecto perjudicial del exceso de luz solar y su radiación ultravioleta.

“Las antocianinas tienen todas las propiedades de un filtro solar”, afirma Quina. En una serie de artículos, el último publicado en marzo de este año en el Chemistry European Journal, Quina y sus colaboradores muestran cómo hacen las moléculas de antocianinas para absorber la luz y los rayos ultravioletas, transformando rápidamente su energía en calor inofensivo para la planta.

La idea según la cual las antocianinas protegerían a las hojas de la acción del sol se discute desde el siglo XIX. Había ciertas dudas sobre ese efecto protector, ya que ellas se encuentran en las células vegetales en el interior de unas cavidades denominadas vacuolas, que en aquella época estaban consideradas como un mero depósito de basura celular. El contexto cambió al comienzo de los años 1990, cuando en experimentos con plantas se demostró que la fotosíntesis de las hojas rojizas resistía mejor el exceso de radiación solar.

La luz es esencial para la fotosíntesis, que es precisamente el proceso por el cual la energía de la radiación solar es absorbida por un pigmento verde denominado clorofila y transformada mediante un complicado proceso bioquímico en azúcares que se almacenan para posteriormente alimentar a la planta. Sin embargo, el exceso de luz, así como la energética radiación ultravioleta, puede sobrecargar y dañar a la clorofila, en un efecto llamado fotoinhibición.

042-045_Pigment_202-1Los brotes, donde el aparato fotosintético todavía no se ha formado por completo, son especialmente vulnerables a la fotoinhibición. “En las hojas del cacao, rojas cuando son jóvenes, la antocianina comienza a desaparecer cuando se inicia la síntesis de la clorofila”, explica Quina, que es estadounidense, pero reside en Brasil desde 1975.

El riesgo de fotoinhibición también es mayor para las hojas en el fin de su vida. Durante el otoño en los países templados, en algunas especies de árboles tales como el arce rojo, las células de la capa superior de las hojas aumentan la síntesis de antocianinas cuando la clorofila de las células de la capa inferior comienza a decrecer, para reaprovechar el nitrógeno de esas moléculas, almacenado para afrontar el invierno.

En picosegundos
Aisladas en laboratorio, las antocianinas son rojas cuando se las coloca en una solución ácida, y azules en una solución básica. Para estudiar sus reacciones ante la luz, los investigadores disparan pulsos de luz láser en varias longitudes de onda sobre soluciones de antocianinas con diferentes niveles de acidez, observando inmediatamente cómo absorben éstas la radiación.

La antocianina roja normalmente se comporta como un ácido débil, tal como el ácido acético del vinagre. Pero al ser expuesta al pulso láser, la molécula energizada por la luz se transforma en un ácido tan fuerte como el clorhídrico, perdiendo un ión de hidrógeno al agua.

Léo RamosEn las plantas, más allá de disipar la energía de la luz ultravioleta, las antocianinas neutralizan los radicales libresLéo Ramos

Todo esto sucede en menos de un pestañeo. En menos de 200 billonésimos de segundo (picosegundos), ese movimiento del protón transforma la energía de la luz visible y de la radiación ultravioleta en calor, y la molécula retorna a su condición de ácido débil. “Se trata de un medio muy eficiente para transformar la energía de la luz en calor”, dice Quina.

El desplazamiento del protón, no obstante, no explica por sí sólo ese efecto de filtro solar. Sucede que el proceso no absorbe la suficiente radiación ultravioleta como para proteger a la planta. Lo que ayuda es el hecho de que las vacuolas estén llenas de compuestos incoloros conocidos con el nombre de copigmentos, que absorben fuertemente la radiación ultravioleta. A diferencia de las antocianinas, los copigmentos no poseen mecanismos para disipar la energía de la luz sin provocar reacciones químicas perjudiciales para la célula.

La concentración de antocianinas y copigmentos en las vacuolas es tal que ambos tipos de moléculas se combinan y forman un complejo –una especie de supermolécula– con las mejores propiedades protectoras de ambas.

En experimentos recientes, los equipos brasileños y portugueses demostraron que el complejo formado por una de las antocianinas más comunes, la cianidina, y un copigmento, el ácido coumárico, no es producto solamente de la propiedad del copigmento de repeler el agua de alrededor de la antocianina para acercarse a ésta. También existe una atracción eléctrica entre la antocianina, con carga positiva, y el copigmento, con carga negativa, que provoca que las moléculas se adhieran fuertemente.

De esta manera, cuando el copigmento absorbe los rayos ultravioletas, pueden ocurrir dos procesos distintos. Si la antocianina se hallara a su lado, el copigmento le transfiere la energía lumínica, y aquélla la convierte en calor mediante el desplazamiento de los átomos de hidrógeno. Pero si las moléculas se hallaran unas sobre otras, la energía de la luz se transfiere al movimiento de los electrones entre ellas. Este proceso ocurre más velozmente que el primero –en menos de un picosegundo– y transforma la luz ultravioleta en calor de manera todavía más eficiente.

Antioxidantes
El efecto de filtro solar no es la única protección que las antocianinas aportan a las plantas. Tal como sucede con los animales, el metabolismo vegetal genera radicales libres, que son compuestos ricos en oxígeno altamente reactivos que dañan a las células. Los experimentos de Quina y otros investigadores están confirmando que esas moléculas son potentes antioxidantes que rápidamente neutralizan a los radicales. Por cierto, ése es uno de los motivos, por los cuales los nutricionistas recomiendan una dieta rica en verduras tales como el repollo colorado y frutas como la uva y el asaí, todos abundantes en antocianinas.

Las plantas también poseen otros pigmentos antioxidantes. Los más comunes son los carotenoides, que colaboran con la clorofila en la fotosíntesis, y son responsables por el amarilleo de las hojas en otoño y por el color de la zanahoria, del tomate y del urucú o achiote. Un único orden de plantas, el de las Caryophyllales, que incluye a las remolachas, los cactos y las buganvilias [trinitaria, Santa Rita], produce en lugar de las antocianinas otros colorantes antioxidantes, las betalaínas.

Ningún otro pigmento vegetal, empero, origina una variedad tan amplia de tonos de azul y de rojo como las antocianinas. Sus colores dependen de la acidez y de la presencia en las vacuolas de ciertos copigmentos y metales. Por esa razón, una misma antocianina, la cianina, en condiciones distintas, colorea tanto a las centáureas azules como a las rosas rojas.

Mezcladas con una concentración baja de copigmentos, las antocianinas cambian de color fácilmente ante pequeñas alteraciones en la acidez, lo cual impide generalmente su utilización en la industria alimenticia. Una excepción ocurre con el color del vino tinto, que se mantiene a causa de una reacción entre las antocianinas. “Querríamos encontrar un modo para estabilizar el color de una antocianina pura”, dice Quina. “Por ahora sólo sabemos cómo hacerlo con sustancias no comestibles, tales como algunos detergentes”.

Otro problema al trabajar con las antocianinas reside en su obtención en gran cantidad. “Para extraer 20 miligramos de antocianinas de la flor de un pariente del camote, se necesitan 20 kilogramos de flores”, informa Amauri Marcato, químico doctorado en botánica y colaborador de Quina en la USP. Además, la obtención, a partir de la mezcla natural de antocianinas, de un extracto purificado que contiene un solo tipo de molécula, es un proceso caro y complejo.

Latinstock/ ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY/ SPLLas antocianinas del repollo colorado cambian de color según la acidez de la solución, que varía entre muy ácida (rojo) a muy básica (amarillo)Latinstock/ ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY/ SPL

A causa de esa limitación, el estudio de las antocianinas generalmente se lleva cabo utilizando otras moléculas como modelo, las denominadas sales de flavilio, más fáciles de obtener. Estas sales, menos complejas que las antocianinas, poseen la misma estructura atómica que absorbe la luz en las antocianinas.

Pero Quina y Marcato esperan sortear próximamente esos inconvenientes, intentando producir antocianinas in vitro. La idea consiste en cultivar en laboratorio un líquido con células vegetales indiferenciadas, provenientes de una planta joven. Controlando las condiciones del cultivo, tal como la luminosidad, ellos esperan inducir a las células a producir algunas antocianinas en gran cantidad. “sería mucho más fácil separarlas”, explica Marcato.

También está en los planes de Quina colaborar con biólogos moleculares para manipular la síntesis de las antocianinas. Él cree que no está lejos el día en que podrá producirse una variedad de cacao cuyas hojas crezcan rojas toda su vida. De esa manera, el árbol podría crecer expuesto al sol, lo cual lo ayudaría a librarse del hongo escoba de bruja (Moniliophthora perniciosa), la principal plaga del cultivo.

Artículo científico
FERREIRA DA SILVA, P. et al. Photoprotection and the photophysics of acylated anthocyanins. Chemistry European Journal. v. 18. 2012.

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