Soy una profesora de Biología, Física y Matemática que ha decidido compartir algunos de sus conocimientos. En este sitio encontrarás material teórico, ejercicios resueltos y explicados escritos por mi y otros docentes.

Fotosíntesis

Autora: Silvia Sokolovsky

Es el proceso por el cual la energía de la luz solar es "atrapada" en enlaces químicos (combinación de CO₂, dióxido de carbono, en cadenas de polímeros - hidratos de carbono) cuya función será nutrir y sostener, no sólo a los organismos autótrofos sino, a toda la red trófica de nuestro planeta.  La vida en la tierra depende fundamentalmente de la energía solar, la cual es atrapada mediante este proceso que es el responsable de la producción de toda la materia orgánica que conocemos:  los alimentos que consumimos diariamente (tanto nosotros como los animales), los combustibles fósiles (petróleo, gas, gasolina, carbón); así como la leña, madera, pulpa para papel, inclusive la materia prima para la fabricación de fibras sintéticas, plásticos, poliéster, etc.

Resulta inquietante pensar que si, por cualquier causa, desaparecerían "todas" las plantas (algas y bacterias incluidas) moriríamos ahogados ya que no habría oxígeno para respirar. Durante la fotosíntesis, como un producto de deshecho, las plantas liberan el oxígeno que nosotros consumimos en la respiración celular.

La importancia de la fotosíntesis está fuera de toda discusión, es por eso que se la ha estudiado desde muchísimos ángulos, es así que la espectroscopia, la cristalografía y la genética molecular han tratado (con bastante éxito) de desenmarañar la participación de las moléculas implicadas en el proceso.

Los cloroplastos son estructuras subcelulares de algas eucarióticas y del tejido fotosintetizador de las plantas superiores, donde se alojan los pigmentos captadores de luz y demás constituyentes esenciales del proceso de fotosíntesis. En el cloroplasto se distinguen unas envolturas que lo limitan, una solución estromática y una estructura laminar inmersa en ella. La estructura laminar (tilacoides) está constituida por sacos membranosos donde se alojan los  pigmentos fotosintéticos y los restantes componentes de la cadena de transporte electrónico. En la composición de los tilacoides, redondeando, un 50 % son proteínas (la mayoría estructurales) y un 50 % de lípidos, donde un 20 % son pigmentos y de estos el 80 % corresponde a clorofila. Para que se entienda: de cada 100 mg de materia, 50 mg corresponden a proteínas y 50 mg de lípidos donde 40 mg corresponde a la clorofila (el 80 % de los 50 mg).

La fotosíntesis posee una etapa foto – dependiente donde la energía lumínica es atrapada dentro de los tilacoides, en el cloroplasto, para formar ATP y reducir moléculas portadoras de electrones; y otra etapa (mal llamada oscura), que ocurre en el estroma del cloroplasto,  donde los productos químicos anteriores se emplean para reducir el carbono del CO₂ a una simple azúcar. 

Etapa Luminosa o Foto – dependiente

La captación de energía lumínica la realiza el cloroplasto a través de bloques de sistemas de pigmentos (clorofila, carotenos y xantofilas) denominados "antenas" que asociados con proteínas configuran los complejos cosechadores de luz (CCL). Las reacciones que explicaremos a continuación se desarrollan en sendos centros: en el fotosistema I y II, cuyos componentes fotoactivos son la clorofila a, denominados respectivamente P - 700 y P - 680. La letra P significa pigmento y los números se refieren a las longitudes de onda de la luz absorbida.

El proceso fotosintetizador se inicia cuando un fotón (partícula de luz) bombardea un par de moléculas de clorofila del fotosistema II (al mismo tiempo el fotosistema I absorbe otro fotón), el par está ubicado en el extremo del centro de reacción más cercano a la superficie interna de la membrana. El par de moléculas de clorofila absorbe la energía del fotón por lo que el electrón se aleja de su posición de equilibrio y es "atrapado" por el aceptor primario, una molécula de feofitina (molécula de composición y estructura similar a la clorofila). En esta etapa del proceso, rapidísima (unas cuatro billonésimas de segundo) cada electrón pasa cerca de otra molécula de clorofila (denominada voyeur – viajera) aunque no parece enlazarse con ella. El par especial queda con un exceso de carga positiva. En el ínterin, una molécula de naturaleza aún incierta, llamado componente Z cede un electrón al par especial y lo neutraliza, quedándose ella a su vez con carga positiva. Tras acumular cuatro cargas positivas, debido a cuatro fotoactos sucesivos del P – 680, recupera su situación basal mediante los cuatro electrones que proceden de la ruptura de dos moléculas de agua, con desprendimiento simultáneo de oxígeno.

A continuación, cada electrón se desplaza de la feofitina hasta una molécula de quinona – Q_A– (aceptor secundario), y pasa el electrón a otra quinona (Q_B) que lo cede a una plastoquinona (PQ), todos ellos embebidos en la intimidad de la membrana laminar. La PQ se oxida cediendo el electrón al citocromo F y este a una molécula de plastocianina (complejos de cobre) la que reduce al fotosistema I (P – 700) que ha perdido un electrón al absorber un fotón (luz).  A medida que los electrones recorren la cadena de transporte se establece un gradiente de protones (ión hidrógeno), de modo que la energía potencial del gradiente se utiliza para formar ATP a partrir de ADP + Pi, proceso denominado fotofosforilación.

Finalmente, el flujo de electrones procedente del fotosistema I, cuyo electrón es cedido mediante un aceptor primario de naturaleza incierta denominado "componente x", suministra los equivalentes de reducción necesarios para la síntesis del potencial reductor generado en la fotosíntesis; esto es , NADP⁺ deviene, por asunción de electrones y un ión hidrogeno, a NADPH.

Por lo tanto, en presencia de luz existe un flujo de electrones continuos desde el agua al fotosistema II, al fotosistema I hasta el NADP⁺. La cosecha energética de estos pasos está representada por una molécula de ATP y NADPH, que intervienen en las principales fuentes de energía para la reducción del carbono. 

 La mayoría de los herbicidas que actúan sobre la zona de transporte de electrones actúan sobre el transporte de las tres quinonas Q_A – Q_B – PQ.

Reacciones Fijadoras de Carbono: Cómo asimilan el carbono

Ahora la energía y capacidad reductora que se generan en la etapa anteriormente descripta, serán utilizadas para la conversión del CO₂ en glúcidos.

El CO₂ pasa al interior de organismos autótrofos acuáticos por difusión directamente desde el agua, mientras que las plantas terrestres deben protegerse de la desecación y en ese sentido han desarrollado estructuras ubicadas en la superficie, llamadas estomas, que permiten el intercambio gaseoso. En el estroma de los cloroplastos se encuentran presentes las enzimas que intervienen en una serie de reacciones enzimáticas, el Ciclo de Calvin (ya que Calvin y Benson en 1940 utilizaron C¹⁴, carbono radiactivo, para realizar estudios sobre el alga verde Chlorella descubriendo el ciclo), en el que es fijado el CO₂.

Ciclo de Calvin

El CO₂ se combina con un azúcar de cinco carbonos, la ribulosa 1,5 bifosfato (RUBP), mediante la acción de la enzima ribulosa bifosfato carboxilasa oxigenasa o rubisco. La rubisco constituye aproximadamente el 50% de las proteínas del cloroplasto y se piensa que es la proteína más abundante en la tierra. El primer producto estable de la fijación de CO₂ es el ácido – 3 – fosfoglicérico (PGA), un compuesto de 3 carbonos. En el ciclo se fijan 6 moles de CO₂ a 6 moles de ribulosa 1,5 bifosfato, y se forman 12 moles de PGA. La energía del ATP, producido en la luz es utilizada para fosforilar el PGA y se forman 12 moles de ácido 1,3 difosfoglicérico, el cual es reducido luego mediante la acción de 12 NADPH a gliceraldehido – 3 – fosfato( PGAL). Dos moles de gliceraldehido – 3 – fosfato son removidas del ciclo para fabricar glucosa. El resto de los moles de PGAL se convierten en 6 moles de ribulosa – 5 – fosfato, que al reaccionar con 6 ATP, regenera 6 moles de ribulosa 1,5 bifosfato, que da comienzo al ciclo de nuevo.

El carbono asimilado por la fotosíntesis se distribuye entre el interior y el exterior del cloroplasto debido a la existencia de un transportador específico, situado en la membrana interna de la organela, mediante el cual se intercambia fósforo inorgánico (Pi) por triosas – P, como el gliceraldehido – 3 – fosfato (que producido en los cloroplastos sirve de intermediario en la glucólisis), pueden iniciar la síntesis del almidón y o de la sacarosa, los productos finales en la fotosíntesis de las plantas superiores.