La

Fotosíntesis

¿Qué es la Fotosíntesis? Definición. Importancia

La Fotosíntesis es un proceso que llevan a cabo las Células Fotolitótrofas ó Fotoautótrofas en el que, utilizando la Energía Luminosa capturada por ciertos Pigmentos, y Materia Inorgánica se sintetiza Materia Orgánica.

Las células que pueden realizar el proceso de Fotosíntesis son: las Plantas, las Bacterias Fotosintéticas, las Cianobacterias y algunas Algas.

La Fotosíntesis es un Proceso Anabólico, es decir, que se produce la síntesis de moléculas complejas a partir de otras más sencillas. El Anabolismo es Endergónico, es decir, necesita Consume Energía.

La Ecuación Global de la Fotosíntesis es:

Los Cloroplastos: Orgánulos Fotosintéticos

La Fotosíntesis ocurre, principalmente, en los Cloroplastos, siendo la principal función que desempeña este orgánulo en las células de las plantas verdes y de las algas.

Los Cloroplastos están presentes en Células Eucariotas Fotoautótrofas. En las Plantas, se encuentran en las Hojas. Están limitados por una envoltura formada por dos Membranas y contienen vesículas o sacos aplanados llamadas Tilacoides en los que se encuentran los Pigmentos como la Clorofila.

Sin embargo, algunas Células Procariotas (como ciertas bacterias y las algas cianofíceas) también realizan la Fotosíntesis a pesar de no poseer Cloroplastos, ya que poseen Pigmentos Fotosintéticos asociados a sus Membranas Plasmáticas.

Julian y Alfredo son amigos desde pequeños.

Nacieron en la misma ciudad y eligieron la misma universidad y especialidad (Química).

Julian terminó su carrera universitaria cansado de estudiar y de los exámenes.

Alfredo acabó su carrera universitaria contento y más interesado que nunca en la química.

¿Cuál fue la diferencia entre ellos?

Durante 1 año, Alfredo tomó clases particulares con un gran profesor particular.

Durante ese año Alfredo logró entender cosas básicas que ni sabía que no entendía y así ordenó sus ideas.

Pero sobre todo, Alfredo aprendió a estudiar y ganó confianza y motivación.

¿Quiéres conocer un poco más?

La Clorofila y Otros Pigmentos Fotosintéticos

La Membrana de los Tilacoides, además de los lípidos y las proteínas característicos de toda membrana, posee un 12% de otras sustancias que se denominan Pigmentos Fotosintéticos debido a su capacidad para absorber luz.

Existen dos tipos principales de Pigmentos: las Clorofilas y los Carotenoides. Ambos tienen en común el poseer dobles enlaces conjugados (dobles enlaces que se alternan con enlaces sencillos). Esta característica química de su estructura es la que les permite absorber la energía luminosa, ya que los electrones de éste sistema de dobles enlaces conjugados pueden "excitarse", es decir, pasar a niveles energéticos superiores, sin que la molécula se rompa.

Los distintos tipos de Pigmentos están especializados en absorber Luz de una determinada Longitud de Onda, por lo que, actuando de modo coordinado, cubren todo el espectro de la luz visible.

Los Fotosistemas: PSI y PSII

Los Pigmentos Fotosintéticos están organizados formando Fotosistemas.

Un Fotosistema es una unidad funcional constituida por:
a) Un Complejo Antena: Está formado por varios centenares de moléculas de clorofilas, carotenoides y también proteínas, que absorben la energía de la luz de diferentes longitudes de onda y la canalizan hacia una única molécula de clorofila denominada Clorofila Diana. La antena funciona como una especie de embudo para capturar la energía luminosa
b) Un Centro de Reacción: Está formado por la Clorofila Diana.

Existen dos tipos de fotosistemas: el Fotosistema I (PS I o P700) y el Fotosistema II (PS II o P680), que difieren en el tipo de Clorofila Diana que poseen.

El Fotosistema I está asociado a las formas de clorofila a, que absorbe a longitudes de onda de 700 nm ( P700 ).En el fotosistema I se transfieren dos electrones a la molécula de NADPy se forma NADPH, en el lado de la membrana tilacoidal que mira hacia el estroma.

El Fotosistema II tiene un centro de reacción que absorbe a una longitud de onda de 680 nm ( P680 ).  En el Fotosistema II, se produce la Fotólisis del Agua y la Liberación de Oxígeno.

Fases de la Fotosíntesis: Fase Luminosa y Fase Oscura

Las Reacciones de la Fotosíntesis pueden agruparse en dos grandes etapas: la Fase Luminosa y la Fase Oscura.

La Fase Luminosa requiere de Luz para producirse. En ella, la Energía de la Luz es capturada por los Pigmentos Fotosintéticos y transformada en energía química: ATP y NADPH.

La Fase Oscura, no requiere luz para producirse, puede ocurrir en presencia o ausencia de ella. En esta fase la Energía acumulada en forma de ATP y NADPH es utilizada para transformar el Dióxido de Carbono (CO2) y las sales minerales en materia orgánica, principalmente Glucosa.

Fase Luminosa de la Fotosíntesis

Consiste en un transporte de electrones a través de una cadena transportadora ubicada en la membrana tilacoidal de los cloroplastos. Mientras que en la mitocondria el transporte electrónico se realizaba a favor de gradiente de potencial redox, es decir, desde buenos dadores de electrones a buenos aceptores, en el cloroplasto este transporte se realiza en sentido contrario, desde el H2O, que es un débil dador de electrones, hasta el NADP+, que es un débil aceptor.

Este transporte electrónico "cuesta arriba" es un proceso endergónico, y no tendría lugar si no se le suministra energía. Aquí es donde interviene la energía luminosa captada por los pigmentos fotosintéticos: es utilizada para impulsar los electrones desde el agua hasta el NADP+, que se reduce entonces para dar NADPH.

Pasos:

1.- El proceso comienza cuando la luz excita un par de electrones del PS II, que se oxida, y puede aceptar ahora otros dos electrones procedentes del agua volviendo a su estado inicial. Para ello la molécula de agua se rompe (fotolisis del agua) liberando así el oxígeno, que es uno de los productos de la fotosíntesis.
2.- Los electrones excitados del PS II son cedidos a la cadena de transportadores.
3.- Al mismo tiempo que esto sucedía, un par de electrones del PS I fueron excitados por la luz y cedidos a otro tramo de la cadena que los conduce al NADP+ que se reduce a NADPH. Los electrones procedentes del PS II son cedidos ahora al PS I que recupera su estado inicial.

Fotofosforilación No Cíclica

Aunque globalmente el transporte electrónico fotosintético se realiza "cuesta arriba", el uso combinado de los dos Fotosistemas permite la existencia de un tramo descendente en el que los electrones circulan a favor de gradiente de potencial redox.

En este tramo se libera algo de energía que, de modo similar a lo que ocurre en la mitocondria, es utilizada para bombear protones a través de la membrana tilacoidal (desde el estroma al espacio intratilacoide),
creando así un gradiente electroquímico de protones.

En esta membrana también existe una ATP-sintetasa que, gracias a la energía liberada al regresar los protones al estroma, puede sintetizar ATP. Dado que el tramo descendente al que aludimos es corto comparado con la totalidad de la cadena, se bombean muy pocos protones y sólo se obtienen una molécula de ATP por cada par de electrones que circulan desde el agua al NADP+.

Fotofosforilación  Cíclica

Haciendo un balance de lo ocurrido se observa que por cada molécula de agua que se rompe por fotolisis se obtiene una molécula de NADPH y una molécula de ATP.

Esto plantea un problema, ya que, como veremos, en la fase oscura se necesita más cantidad de ATP que de NADPH. Por ello, las células fotosintéticas se ven obligadas a recurrir a un mecanismo alternativo al que hemos descrito que les permita obtener ATP sin obtener NADPH.

Este mecanismo alternativo recibe el nombre de Fotofosforilación Cíclica y consiste en lo siguiente: los electrones excitados del PS I, en lugar de ser cedidos al NADP+, lo son a los transportadores del tramo descendente de la cadena, regresando al PS I; en este regreso se libera energía suficiente para bombear protones y obtener ATP. A diferencia de lo que ocurre en la fotofosforilación no cíclica, no participa el agua, no se libera oxígeno, no participa el PS II y no se obtiene NADPH.

Fase Luminosa de la Fotosíntesis: Resumen

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Fase Oscura de la Fotosíntesis

Consiste en la Síntesis de Moléculas Orgánicas sencillas por reducción de moléculas inorgánicas, utilizando el NADPH y el ATP obtenidos en la fase luminosa. Se produce en el Estroma del Cloroplasto y puede suceder en presencia o en ausencia de luz.
El principal sustrato utilizado es el CO2 que es reducido a monosacáridos sencillos, pero también es posible la utilización de nitratos o sulfatos.

LA FIJACIÓN DEL CO2: EL CICLO DE CALVIN
1. Fijación del CO2: El CO2 se fija inicialmente sobre la Ribulosa-1,5-difosfato (5C), que es la molécula aceptora, dando lugar a 2 moléculas de Ácido Fosfoglicérico (3C). Esta reacción está catalizada por la enzima ribulosa 1,5-difosfato carboxilasa o Rubisco, que es la enzima más abundante de la naturaleza y tiene la peculiaridad de ser relativamente lenta, por lo que constituye un verdadero factor limitante para la velocidad de la fotosíntesis.

Además este enzima puede utilizar como sustrato al oxígeno en lugar del dióxido de carbono, dando lugar a una secuencia de reacciones que terminan liberando CO2. Este fenómeno se conoce como Fotorrespiración y es responsable de una sensible disminución en el rendimiento de la fotosíntesis (la fotosíntesis fija CO2 y la Fotorrespiración lo libera).

Algunas plantas tropicales, llamadas plantas C4, evitan este problema fijando inicialmente el CO2 mediante una ruta alternativa al ciclo de Calvin, la Ruta de Hatch y Slack, en la que el enzima responsable de la fijación no se ve interferido por el oxígeno.

2. Reducción: El Ácido Fosfoglicérico, a expensas del ATP y NADPH procedentes de la fase luminosa, se reduce a Gliceraldehido-3-fosfato, que está en equilibrio con su isómero, la Dihidroxiacetona-fosfato.

3. Recuperación y síntesis de biomoléculas: El Gliceraldehido-3-fosfato es utilizados en parte para regenerar la Ribulosa- 1,5- difosfato mediante una serie de reacciones que implican gasto de ATP, y en parte son desviados hacia el anabolismo heterótrofo para servir de precursores a distintos tipos de biomoléculas.

Cada vuelta del ciclo de Calvin implica la fijación de una molécula de CO2 (1 átomo de carbono), por tanto, para generar una molécula de Glucosa (que contiene 6 átomos de Carbono) se necesitan 6 vueltas.

En este caso, la ecuación global del ciclo sería:
6CO2 + 12 NADPH + 12H+ + 18 ATP → C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi

Balance Energético de la Fotosíntesis

6 H2O + 6 CO2 + 12 NADPH +18 ATP -----------> C6H12O6 + 6 O2 + 12 NADP + 12 H+ + 18 ADP + 18 Pi

La fase luminosa de la fotosíntesis produce ATP y NADPH.

Si se sintetiza una molécula de glucosa (C6H12O6) se necesitan 6 moléculas de CO2 y 12 moléculas de H2O.

Las 6 moléculas de agua liberan 6 moléculas de O2 a la atmósfera y aportan 12 hidrógenos de la glucosa.

El NADPH se oxida a NADP, liberando 12protoes.

Intervienen 24 Hidrógenos. Aparecen así 24 protones y 24 electrones y, como cada electrón precisa dos fotones (uno en el PSI y otro en el PSII), se necesitan 48 fotones.

El ciclo de Calvin necesita por cada CO2 incorporado, 2 NADPH y 3 ATP. Para una molécula de glucosa se necesitan 12 NADPH y 18 ATP

Factores que afectan la Fotosíntesis

Los factores ambientales que afectan a la fotosíntesis son:

  1. Concentración de CO2
  2. Intensidad de la iluminación
  3. Concentración de O2
  4. Temperatura
  5. Humedad
  6. Color de la luz

1- Concentración de CO2 en el medio: Si la iluminación es constante, la intensidad fotosintética aumenta con la concentración de dióxido de carbono en el medio.

Esto es debido a que a mayor concentración de CO2 mayor será la velocidad a la que la enzima Rubisco fijará el CO2 en el Ciclo de Calvin.

2- Intensidad de la iluminación: En general, la intensidad de la iluminación aumenta el rendimiento de la fotosíntesis. Esto es debido a que cuantos más fotones de luz lleguen a los fotosistemas I y II, más cantidad de ATP y NADPH se obtendrán en la fase luminosa y en consecuencia más CO2 se podrá fijar en el Ciclo de Calvin.

Sin embargo, si se sobrepasa un cierto límite de intensidad luminosa puede producirse la desnaturalización de las enzimas que actúan en el proceso con lo que la intensidad fotosintética disminuye bruscamente.

Si la concentración de CO2 es muy baja la iluminación apenas influye sobre la intensidad fotosintética porque de poco vale que se obtenga mucho ATP y NADPH en la fase luminosa si no hay CO2 para fijar en el Ciclo de Cavin. Sin embargo, a partir de un cierto valor en la concentración de CO2 la intensidad de iluminación se convierte en un factor limitante para el proceso fotosintético.

3- Concentración de oxígeno (O2):  El O2 tiene un efecto inhibitorio sobre la fotosíntesis, es decir, a mayor concentración de O2 en el medio menor es la intensidad fotosintética.

Esto es debido al fenómeno de la Fotorrespiración.

4- Temperatura: Las reacciones fotoquímicas de la fase luminosa son independientes de la temperatura. Sin embargo, las reacciones de la fase oscura incrementan su velocidad con la temperatura tal como ocurre en cualquier reacción química.

Todo ello siempre que no se alcance un valor tal que se provoque la desnaturalización de las enzimas, en cuyo caso la intensidad fotosintética disminuye bruscamente.

5- Humedad: El rendimiento de la fotosíntesis disminuye en ambientes áridos (baja humedad) porque al cerrarse los estomas para evitar la pérdida de agua también se reduce el intercambio de gases.

6- Color de la luz: El máximo rendimiento de la fotosíntesis se obtiene con luz roja o azul.

Una luz con una longitud de onda superior a los 680 nm impide la actuación del fotosistema II y, por tanto, sólo se produce fotofosforilación cíclica con un rendimiento menor.

 

Aprende acerca de otros temas: ve a la sección "Recursos" del Menú superior, busca la Materia y luego el Tema. Te dejamos algunos ejemplos:

 

Autora de este artículo: María Cecilia

Es Bioquímica, da clases particulares de Química, Biología, Biofísica, Bioquímica, Fisiología, Física desde hace mas de 10 años. Nivel universitario y secundario. Puedes elegir tomar clases particulares online con ella, ya que forma parte de nuestro equipo de profesores.

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