Introducción a la fotosíntesis
Fuente:Kan
Academy
Conversión de energía luminosa a energía química. Reacciones de
fotosíntesis, dónde se llevan a cabo y su importancia ecológica
Introducción
¿Has abrazado a un árbol últimamente? Si no, quizás sea buena idea que
lo consideres: tú, junto con el resto de la población humana, debes tu
existencia a las plantas y a otros organismos que capturan energía de la luz.
De hecho, gran parte de la vida en la Tierra es posible debido a que el sol
proporciona energía de forma continua a los ecosistemas.
Todos los organismos, incluidos los seres humanos, necesitan energía
para provocar las reacciones metabólicas del crecimiento, desarrollo y
reproducción. No obstante, los organismos no pueden utilizar energía de la luz
directamente para sus necesidades metabólicas, ya que esta primero debe
convertirse en energía química mediante el proceso de fotosíntesis.
¿Qué es la
fotosíntesis?
La fotosíntesis es el proceso en el cual la energía de la luz se
convierte en energía química en forma de azúcares. En un proceso impulsado por
la energía de la luz, se crean moléculas de glucosa (y otros azúcares) a partir
de agua y dióxido de carbono, mientras que se libera oxígeno como subproducto.
Las moléculas de glucosa proporcionan a los organismos dos recursos cruciales:
energía y carbono fijo (orgánico).
- Energía. Las moléculas de glucosa sirven como combustible para las células: su energía química puede obtenerse a través de procesos como la respiración celular y fermentación, que genera trifosfato de adenosina —ATP\text {ATP}ATPstart text, A, T, P, end text, una molécula pequeña portadora de energía— para las necesidades de energía inmediatas de la célula.
-
- Carbono fijo. Cuando el carbono del dióxido de carbono —carbono inorgánico— se incorpora a moléculas orgánicas, este proceso se llama fijación de carbono, mientras que el carbono de moléculas orgánicas se conoce como carbono fijo. El carbono que está fijo y se ha incorporado a los azúcares durante la fotosíntesis puede utilizarse para crear otros tipos de moléculas orgánicas que necesitan las células.
En la fotosíntesis, se captura energía solar y se convierte en energía
química en forma de glucosa, mediante el uso de agua y dióxido de carbono. El
oxígeno se libera como subproducto.
La
importancia ecológica de la fotosíntesis
Los organismos fotosintéticos, como plantas, algas y algunas bacterias,
cumplen una función ecológica clave: introducen la energía química y el carbono
fijo en los ecosistemas mediante el uso de la luz para sintetizar azúcares.
Dado que producen su propio alimento (es decir, fijan su propio carbono) con la
energía de la luz, estos organismos se llaman fotoautótrofos
(literalmente, “organismos que se alimentan a sí mismos al utilizar luz").
Los seres humanos y otros organismos que no pueden convertir dióxido de
carbono en compuestos orgánicos se llaman heterótrofos (“que se nutre de
otro"). Los heterótrofos deben obtener el carbono fijo consumiendo otros
organismos o sus derivados. Los animales, hongos y muchos procariontes y
protistas son heterótrofos.
Tipos de autótrofos. La característica principal de los autótrofos es que pueden fijar su
propio carbono —convertir al carbono inorgánico en orgánico— dada una fuente de
energía adecuada.
- Los fotoautótrofos usan energía de la luz para convertir al dióxido de carbono en compuestos orgánicos. Este proceso se llama fotosíntesis.
- Los quimioautótrofos extraen energía de compuestos inorgánicos al oxidarlos y utilizan esta energía química, en vez de la energía de la luz, para convertir al dióxido de carbono en compuestos orgánicos. Este proceso se llama quimiosíntesis.
Tipos de heterótrofos. Los heterótrofos son incapaces de convertir el dióxido de carbono en
compuestos orgánicos, así que deben obtener el carbono fijo de otros
organismos.
- Los fotoheterótrofos obtienen energía de la luz solar, pero deben obtener carbono fijo en forma de compuestos orgánicos creados por otros organismos. Algunos tipos de procariontes son fotoheterótrofos.
- Los quimioheterótrofos obtienen energía al oxidar compuestos orgánicos o inorgánicos y, como todos los heterótrofos, obtienen su carbono fijo de compuestos orgánicos creados por otros organismos. Los animales, hongos y muchos procariontes y protistas son quimioheterótrofos.
Además de introducir carbono fijo y energía en los ecosistemas, la
fotosíntesis también afecta la composición de la atmósfera de la Tierra. La
mayoría de los organismos fotosintéticos produce gas oxígeno como subproducto;
la aparición de la fotosíntesis —hace unos 3333 mil millones de años
en las bacterias que se asemejan a las cianobacterias modernas— cambió para
siempre la vida en el planeta1^11start superscript, 1, end
superscript. Estas bacterias liberaron poco a poco oxígeno en la
atmósferan terrestre que carecía de él, y se cree que el aumento en la
concentración de oxígeno influyó en la evolución de las formas de vida
aerobias, organismos que utilizan oxígeno para la respiración celular. Si no
hubiera sido por esos antiguos fotosintetizadores, nosotros, como muchas otras
especies, ¡no estaríamos aquí hoy!
Los organismos fotosintéticos también retiran grandes cantidades de
dióxido de carbono de la atmósfera y utilizan los átomos de carbono para crear
moléculas orgánicas. Si las plantas y algas no abundaran en la Tierra ni
aspiraran continuamente el dióxido de carbono, el gas se acumularía en la
atmósfera. Aunque los organismos fotosintéticos eliminan parte del dióxido de
carbono producido por las actividades humanas, los niveles atmosféricos en
aumento están reteniendo el calor y provocando que el clima cambie. Muchos
científicos creen que la conservación de bosques y otros espacios de vegetación
es cada vez más importante para combatir este aumento en los niveles de dióxido
de carbono.
Las hojas:
donde ocurre la fotosíntesis
Las plantas son los autótrofos más comunes en los ecosistemas
terrestres. Todos los tejidos verdes de las plantas pueden fotosintetizar pero,
en la mayoría de las plantas, la mayor parte de la fotosíntesis ocurre en las
hojas. Las células de una capa intermedia de tejido foliar llamada mesófilo
son el principal lugar donde ocurre la fotosíntesis.
En casi todas las plantas hay unos pequeños poros llamados estomas
en la superficie de las hojas, los cuales permiten que el dióxido de carbono se
difunda hacia el mesófilo y el oxígeno hacia el exterior.
Un diagrama que muestra una hoja en aumentos cada vez mayores. Aumento
1: toda la hoja Aumento 2: tejido mesófilo dentro de la hoja Aumento 3: una
sola célula mesófila Aumento 4: un cloroplasto dentro de la célula mesófila
Aumento 5: pilas de tilacoides —grana— y el estroma dentro de un cloroplasto
Crédito de la imagen: modificada de "Descripción general de la
fotosíntesis: Figura 6", de OpenStax College, Conceptos de
Biología, CC BY 3,0
Cada célula mesófila contiene organelos llamados cloroplastos, que
se especializan en llevar a cabo las reacciones de la fotosíntesis. Dentro de
cada cloroplasto, las estructuras similares a discos llamadas tilacoides
están dispuestas en pilas que se asemejan a panqueques y se conocen como granas.
Las membranas de los tilacoides contienen un pigmento de color verde llamado clorofila,
que absorbe la luz. El espacio lleno de líquido alrededor de las granas se
llama estroma, mientras que el espacio interior de los discos tilacoides
se conoce como espacio tilacoidal. Se producen distintas reacciones
químicas en las diferentes partes del cloroplasto.
Las
reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin
La fotosíntesis en las hojas de las plantas implica muchos pasos, pero
puede dividirse en dos etapas: las reacciones dependientes de la
luz y el ciclo de Calvin.
- Las reacciones dependientes de la luz se producen en la membrana de los tilacoides y necesitan un suministro continuo de energía luminosa. La clorofila absorbe esta energía luminosa, que se convierte en energía química mediante la formación de dos compuestos: ATP\text {ATP}ATPstart text, A, T, P, end text —una molécula de almacenamiento de energía— y NADPH\text {NADPH}NADPHstart text, N, A, D, P, H, end text, un portador de electrones reducido. En este proceso, las moléculas de agua también se convierten en gas oxígeno, ¡el oxígeno que respiramos!
- El ciclo de Calvin, también llamado reacciones independientes de la luz, se lleva a cabo en el estroma y no necesita luz directamente. El ciclo de Calvin utiliza el ATP\text {ATP}ATPstart text, A, T, P, end text y NADPH\text {NADPH}NADPHstart text, N, A, D, P, H, end text de las reacciones dependientes de la luz para fijar el dióxido de carbono y producir azúcares de tres carbonos —moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, o G3P— que se unen para formar la glucosa.
Esquema de las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin y
su relación.
Las reacciones dependientes de la luz se producen en la membrana de los
tilacoides. Estas necesitan luz y su efecto neto es convertir las moléculas de
agua en oxígeno, mientras que producen moléculas de ATP —a partir de ADP y Pi—
y de NADPH, mediante la reducción de NADP+.
El ATP y el NADPH se producen en el lado del estroma de la membrana de
los tilacoides, donde pueden ser utilizados en el ciclo de Calvin.
El ciclo de Calvin se lleva a cabo en el estroma y utiliza el ATP y
NADPH de las reacciones dependientes de la luz para fijar el dióxido de carbono
al producir azúcares de tres carbonos: moléculas de gliceraldehído-3-fosfato o
G3P.
El ciclo de Calvin convierte al ATP en ADP y Pi, y al NADPH en NADP+. El
ADP, Pi y NADP+ pueden reutilizarse como sustratos en las reacciones de la luz.
Crédito de la imagen: modificada de "Descripción general de la
fotosíntesis: Figura 6", de OpenStax College, Biologia, CC BY 3,0
En general, las reacciones dependientes de la luz capturan energía
luminosa y la almacenan de forma temporal en las formas químicas de ATP\text
{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text y NADPH\text {NADPH}NADPHstart text, N, A, D, P, H, end text. Allí, el ATP\text
{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text se descompone para liberar
energía, y el NADPH\text {NADPH}NADPHstart text, N, A, D, P, H, end
text dona sus electrones para convertir las moléculas de dióxido de
carbono en azúcares. Al final, la energía que empezó como luz acaba atrapada en
los enlaces de los azúcares.
Fotosíntesis
vs. respiración celular
A nivel de reacciones generales, la fotosíntesis y la respiración
celular son procesos casi opuestos, aunque solo difieren en la forma de la
energía absorbida o liberada, como se muestra en el esquema siguiente:
Desde un punto de vista simplificado, la fotosíntesis y la respiración
celular son reacciones opuestas entre sí. En la fotosíntesis, la energía solar
se se transforma en energía química en un proceso que convierte al agua y al
dióxido de carbono en glucosa, y se libera el oxígeno como subproducto. En la
respiración celular, el oxígeno se utiliza para descomponer la glucosa, proceso
que libera energía química y calor; el dióxido de carbono y el agua son
productos de esta reacción.
A nivel de pasos individuales, la fotosíntesis no solo es respiración
celular al revés. Por el contrario, como veremos en esta sección, la
fotosíntesis tiene lugar en su propia serie única de pasos. Sin embargo, hay
algunas similitudes notables entre fotosíntesis y respiración celular.
Por ejemplo, la fotosíntesis y respiración celular implican una serie de
reacciones redox (que implican la transferencia de electrones). En la
respiración celular, los electrones fluyen de la glucosa al oxígeno, se forma
agua y se libera energía. En la fotosíntesis, van en la dirección opuesta,
comienzan en el agua y acaban en la glucosa, un proceso que requiere energía e
impulsado por la luz. Tal como la respiración celular, la fotosíntesis también
utiliza una cadena de transporte de electrones para formar un gradiente de
concentración de H+\text{H}^+H+start text, H, end text, start
superscript, plus, end superscript, que promueve la síntesis de ATP\text
{ATP}ATPstart text, A, T, P, end text por quimiosmosis.
Si nada de esto te suena familiar, ¡no te preocupes! No necesitas
conocer la respiración celular para comprender la fotosíntesis. Simplemente
sigue leyendo y mirando los videos: aprenderás todos los pormenores de este
proceso vital.
Con afecto, Ruben
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