Casi toda la vida en la Tierra depende de la luz solar.

Las plantas, algas y algunas bacterias capturan la energía

lumínica del sol y la convierten en energía química a través de

una serie de reacciones llamada fotosíntesis.

Estos organismos producen carbohidratos a partir de

componentes básicos como el agua y el dióxido de carbono del

ambiente, y durante este proceso liberan oxígeno.

La fotosíntesis nutre a casi toda la vida en el planeta.

La fotosíntesis es un conjunto de reacciones químicas en la

cual la energía solar se convierte en energía química.

La energía lumínica activa el movimiento de electrones de

moléculas que donan electrones a moléculas que aceptan

electrones.

Pero, ¿qué moléculas?

El agua es el primer donante de electrones.

El carbono en el dióxido de carbono es el aceptor final de

electrones.

El dióxido de carbono se combina con otras moléculas para formar

carbohidratos, como el azúcar de tres carbonos llamado G3P.

Los carbohidratos se usan para hacer otras moléculas orgánicas

que las plantas usan para crecer y como fuente de energía para

sostener sus vidas.

Un importante producto secundario de la fotosíntesis

es el oxígeno.

Vamos a acercarnos al corte transversal de una hoja para

ver más de cerca el centro de acción de la fotosíntesis.

Una hoja tiene varios tipos de células,

como células mesofílicas, células epidérmicas y haces

vasculares.

La mayoría de las células en el medio de una hoja contienen

grandes cantidades de cloroplastos.

Los pigmentos en los cloroplastos hacen que estas

células sean verdes.

Los cloroplastos son los organelos donde ocurre la

fotosíntesis.

El dióxido de carbono del aire entra a la hoja a través de

pequeños poros, llamados estomas,

en la capa externa de la célula.

El oxígeno que se forma durante la fotosíntesis también sale de

la planta a través de los estomas.

La planta transporta moléculas orgánicas producidas en las

células de la hoja hacia otras células a través del sistema de

tuberías que se encuentra en los haces vasculares.

Veamos más de cerca un cloroplasto,

el organelo donde ocurre la fotosíntesis.

La fotosíntesis consiste en dos conjuntos de reacciones

químicas: las reacciones luminosas y el ciclo de Calvin.

Estas reacciones ocurren en distintas regiones de los

cloroplastos.

Los cloroplastos contienen una serie de discos encapsulados

por una membrana llamados tilacoides,

que están rodeados por un fluido acuoso y transparente,

llamado estroma.

Las reacciones luminosas se llevan a cabo en moléculas en

las membranas de los tilacoides, mientras las reacciones del

ciclo de Calvin se llevan a cabo por moléculas en el estroma.

Vamos a explorar estas regiones y sus funciones con más

detalles.

En la membrana del tilacoide, las reacciones luminosas

transforman la energía lumínica en energía química.

La energía lumínica impulsa la formación de moléculas de ATP

a partir de ADP, y de moléculas de NADPH a partir de NADP y

electrones.

Durante este proceso, las moléculas de agua se dividen y

se forma el oxígeno, que puede ser liberado a la atmósfera.

En el estroma, las reacciones del ciclo de Calvin usan

energía química de ATP y NADPH para combinar dióxido de

carbono del aire con moléculas orgánicas para formar nuevas

moléculas, como el azúcar G3P.

ADP y NADP se reciclan y se pueden usar de

nuevo en las reacciones luminosas.

Las plantas aumentan su biomasa a través de la formación de

estas nuevas moléculas orgánicas.

Las membranas tilacoidales contienen moléculas

especializadas que funcionan juntas para llevar a cabo las

reacciones luminosas.

La luz es absorbida por complejos de pigmentos y

proteínas llamados fotosistemas.

Hay dos fotosistemas: fotosistema I y fotosistema II.

Los fotosistemas transforman la energía lumínica en energía

química al excitar y transportar electrones de molécula

a molécula, como en una cadena, en la membrana tilacoidal.

A este proceso se le llama una cadena de transporte de

electrones.

Veamos más de cerca cómo funciona este proceso.

Primero, los fotones de luz llegan a la clorofila,

un pigmento que absorbe la luz en el fotosistema II.

Los electrones en la clorofila se excitan a un mayor nivel de

energía.

Los electrones excitados pasan por un portador de electrones.

Mientras tanto, el agua se divide y libera electrones.

Estos electrones reemplazan los electrones perdidos en el

fotosistema II.

El producto secundario de esta reacción es el oxígeno,

que posteriormente se libera en el aire.

Los otros productos son protones o iones de hidrógeno,

que se liberan dentro de los tilacoides o lumen.

Los electrones excitados pasan al complejo del citocromo.

Parte de la energía de los electrones la utiliza el

complejo del citocromo para transportar protones

adicionales hacia el lumen.

El segundo portador de electrones,

una proteína dentro del lumen, recibe los electrones y los

pasa al fotosistema I.

Estos electrones ya han perdido la mayor parte de la energía

recibida de la luz en el fotosistema II.

Los fotones de luz llegan a la clorofila en el fotosistema I y

excitan a los electrones nuevamente.

Los electrones luego pasan al tercer portador de electrones.

Finalmente, estos electrones son reciclados o interactúan con

una enzima y con NADP , el aceptor final de electrones de

las reacciones luminosas, para formar NADPH.

Parte de la energía de la luz ahora está almacenada en la

molécula reducida de NADPH.

Parte de la energía liberada por la transferencia de electrones

ha establecido un gradiente de protones a través de la

membrana tilacoidal.

Los protones que se acumularon en el lumen se difunden hacia

el estroma a través de una enzima llamada ATP sintasa.

La ATP sintasa usa la energía potencial del gradiente de

protones para combinar ADP con fosfato inorgánico para formar

ATP.

De esta manera, le energía potencial se transforma en

energía química almacenada como ATP.

ATP y NADPH ahora tienen energía almacenada

a partir de las reacciones luminosas.

Esta energía se puede usar en el ciclo de Calvin.

Esta cadena de transporte de electrones activada por la luz

suele ser continua en presencia de la luz solar.

Abarca una serie de reacciones químicas que incluyen absorción

de luz, conversión de energía y transferencia de electrones

realizada por los fotosistemas y otras enzimas en la membrana de

los tilacoides.

El ciclo de Calvin ocurre en el estroma del cloroplasto,

el fluido acuoso y transparente que rodea los tilacoides.

Es útil dividir el ciclo de Calvin en tres fases: fijación,

reducción y regeneración.

En la primera fase, el carbono inorgánico,

en forma de dióxido de carbono del aire,

se incorpora en moléculas orgánicas,

un proceso conocido como fijación de carbono.

Tres moléculas de dióxido de carbono reaccionan con tres

moléculas de ribulosa bisfosfato (RuBP) para producir seis

unidades de una molécula de tres carbonos llamada 3-PGA.

La enzima RuBisCO cataliza esta reacción.

En la segunda fase, las moléculas orgánicas aceptan

electrones, un proceso llamado reducción.

Las seis moléculas de 3-PGA usan seis moléculas de ATP y seis de

NADPH, la cual almacena energía de las reacciones luminosas,

para generar seis moléculas de G3P.

Las moléculas G3P contienen más electrones y tienen más energía

potencial que 3-PGA.

Una molécula de G3P sale del ciclo.

Se puede usar para hacer otras moléculas orgánicas.

En la tercera fase, la fase de regeneración,

un gran conjunto de reacciones usa las otras cinco moléculas

de G3P y energía de tres moléculas de ATP para producir

tres moléculas de RuBP.

Con la RuBP reformada, el proceso puede empezar de nuevo.

Nótese que, en el ciclo de Calvin,

la energía de ATP y NADPH producida en las reacciones

luminosas se usa para generar una molécula G3P a partir de

tres moléculas de dióxido de carbono.

En este proceso, los electrones que pierde la NADPH son

aceptados por los carbonos de las moléculas de dióxido de

carbono, que son los aceptores finales de electrones de la

fotosíntesis.

El G3P, el producto neto del ciclo de Calvin,

se puede usar para generar otras moléculas orgánicas,

como sacarosa o almidón.

La sacarosa que producen las células de las hojas se

transporta a través de los haces vasculares hacia otras partes

de la planta, como los tallos y raíces.

Las células de las hojas también pueden producir almidón para

almacenar energía a largo plazo.

En general, las moléculas generadas por la fotosíntesis

proporcionan el sustento y los elementos vitales que permiten

que las plantas crezcan.

A nivel mundial, la fotosíntesis produce un estimado de 150 mil

millones de toneladas métricas de carbohidratos al año y es

responsable del oxígeno de nuestra atmósfera,

lo que lo convierte en uno de los procesos químicos más

importantes para la vida en la Tierra.

Con el fin de que las plantas crezcan, ellas necesitan aportes de dióxido de carbono,

agua y energía.

El proceso químico por el cual las plantas utilizan estos recursos para la fabricación

de glucosa, los bloques de construcción de la planta, se llama fotosíntesis.

En el proceso, el oxígeno es producido como un subproducto.

La energía para la fotosíntesis se origina en el sol y llega a la tierra como luz solar.

Esta luz se comporta tanto como onda y como partícula.

Las partículas, o fotones, son las unidades de luz más pequeñas.

Los fotones oscilan a lo largo de un camino, que se mide en longitudes de onda.

La luz emitida por el sol contiene los fotones en un amplio espectro de longitudes de onda,

llamado espectro electromagnético.

Los organismos fotosintéticos utilizan sólo una pequeña porción del espectro electromagnético,

llamada luz visible.

Los organismos fotosintéticos contienen pigmentos que facilitan la captura de longitudes de

onda de la luz en el rango de luz visible.

El color del pigmento proviene de las longitudes de onda de la luz reflejada.

Las plantas son de color verde, ya que reflejan longitudes de onda de la luz amarilla y verde.

Las longitudes de onda de la luz roja y azul son absorbidas por estos pigmentos y proporcionan

energía que se utiliza para la fotosíntesis.

Dentro de los organismos fotosintéticos eucariotas, también conocidos como foto autótrofos,

las reacciones químicas de la fotosíntesis se producen dentro de las células vegetales

en estructuras especializadas, conocidas como cloroplastos.

La fotosíntesis se compone de dos tipos de reacciones - las reacciones dependientes de

la luz y el ciclo de Calvin.

Dentro de los cloroplastos hay pequeñas estructuras con forma de disco llamadas tilacoides, que

están rodeados por un espacio lleno de líquido llamado estroma.

Las reacciones que sintetizan la glucosa, el ciclo de Calvin, ocurren en el estroma.

Las reacciones dependientes de la luz ocurren en los tilacoides.

Es aquí donde se inicia la conversión de energía luminosa en energía química.

En la mayoría de organismos fotosintéticos, los tilacoides contienen pares de foto sistemas,

llamados fotosistema I y fotosistema II, que trabajan conjuntamente para producir la energía

que luego utilizarán en el estroma para la fabricación de azúcares.

Los fotosistemas de los tilacoides constan de una red de moléculas de pigmento accesorio

y clorofila, las moléculas que absorben los fotones de la luz.

Dentro de las moléculas de pigmento, la energía lumínica absorbida excita los electrones

a un estado superior.

Los fotosistemas canalizarán la energía de excitación recolectada por las moléculas

de pigmentos a un centro de reacción, que consiste de una molécula de clorofila alfa

asociada a proteínas, que luego pasará los electrones a una serie de proteínas localizadas

en la membrana del tilacoide.

Los fotones de luz inciden en los fotosistemas I y II al mismo tiempo.

Vamos a examinar lo que sucede con los fotones que inciden al fotosistema II en primer lugar.

Los electrones energizados son pasados desde el centro de reacción del fotosistema II

a la cadena de transporte de electrones.

Los electrones perdidos por el fotosistema II se sustituyen por un proceso llamado fotólisis,

que consiste en la oxidación de una molécula de agua, produciendo electrones libres y gas

oxígeno.

Si bien este gas oxígeno es un subproducto de la fotosíntesis, también es un ingrediente

importante para las vías de la respiración celular.

A medida que los electrones pasan a través de la cadena de transporte de electrones,

la energía de los electrones se utiliza para bombear iones de hidrógeno desde el estroma

al tilacoides, creando un gradiente de concentración.

Este gradiente proporciona la energía necesaria para que una proteína llamada ATP sintetasa

fosforile al ADP para formar ATP.

Los electrones de baja energía que abandonan al fotosistema II son transportados al fotosistema

I.

En el fotosistema I los electrones de baja energía son re-energizados y pasan a través

de una cadena de transporte de electrones en la que se usan para reducir el transportador

de electrones NADP a NADPH.

Cuando el cloroplasto está recibiendo un suministro constante de fotones, las moléculas

de ATP y NADPH están siendo rápidamente proporcionadas a las vías metabólicas en

el estroma.

Por lo tanto, el ATP y el NADPH formado durante las reacciones dependientes de luz se utilizan

en el estroma para aportar energía a las reacciones del ciclo de Calvin.

El ciclo de Calvin se compone de una serie de reacciones que reducen el dióxido de carbono

para producir el hidrato de carbono gliceraldehído- 3 fosfato.

El ciclo consta de tres etapas, en el primero de los cuales está la fijación del carbono.

En este paso el dióxido carbono se une a la ribulosa 1,5 bifosfato dando dando lugar

a una molécula de seis átomos de carbono que se divide en dos moléculas de tres átomos

carbono.

El segundo paso es una secuencia de reacciones que utiliza electrones del NADPH y algo de

ATP para reducir el dióxido de carbono.

En la etapa final, se regenera la ribulosa 1,5 bifosfato.

Por cada tres vueltas del ciclo, se utilizan cinco moléculas de gliceraldehído-3 fosfato

para volver a formar tres moléculas de ribulosa 1,5 - bifosfato.

El resto de gliceraldehído-3 fosfato se utiliza para sintetizar glucosa, ácidos grasos o

glicerol.

Se necesitan dos moléculas de gliceraldehído-3 fosfato para hacer una molécula de glucosa

fosfato.

Por lo tanto, el ciclo de Calvin tiene que ejecutarse 6 veces para producir una molécula

de glucosa.

Estas moléculas pueden remover sus fosfatos y añadir fructosa para formar sacarosa, la

molécula que las plantas utilizan para el transporte de hidratos de carbono a través

de sus sistemas.

La glucosa es también la molécula de partida para la síntesis de almidón y de celulosa.

Las plantas producen azúcares para su uso como moléculas de almacenamiento y como componentes

estructurales para su propio beneficio.

Utilizando energía del sol, junto con aportes de agua y dióxido de carbono, las plantas

actúan como fábricas de glucosa.

Los organismos fotosintéticos son los principales productores de glucosa en el planeta.

También producen oxígeno como subproducto y así servir como una base para la vida,

suministrando alimento y oxígeno para las cadenas alimentarias complejas tanto en la

tierra como en los océanos.