Fotosintesis
Biología: La Unidad y Diversidad de la Vida - Capítulo 6: Fotosíntesis
6.2 Resumen de la Fotosíntesis (1 de 7)
Los autótrofos son organismos capaces de producir su propio alimento tomando energía del entorno y carbono de moléculas inorgánicas. Este proceso tiene un rol fundamental en la producción de energía y biomasa en la tierra. En particular, la fotosíntesis es un método mediante el cual se utiliza la luz solar para transformar energía luminosa en energía química, a través de la producción de moléculas orgánicas que constituyen el alimento de las plantas y de otros autótrofos. Por otro lado, los heterótrofos se alimentan de carbono proveniente de moléculas orgánicas que han sido elaboradas previamente por los autótrofos.
6.2 Resumen de la Fotosíntesis (2 de 7)
Durante la fotosíntesis, se producen varias moléculas clave:
Dióxido de carbono ($CO_2$)
Agua ($H_2O$)
Moléculas orgánicas (azúcares)
Oxígeno ($O_2$)
6.2 Resumen de la Fotosíntesis (3 de 7)
La ecuación global que resume el proceso de la fotosíntesis es:
La luz, el dióxido de carbono y el agua son insumos que se convierten en azúcares y oxígeno.
6.2 Resumen de la Fotosíntesis (4 de 7)
Existen dos etapas en la fotosíntesis:
Reacciones dependientes de la luz (no cíclicas):
La energía luminosa es capturada y transformada en ATP y NADPH.
Se separan las moléculas de agua, lo que libera oxígeno como un subproducto.
Ocurren en la membrana de los tilacoides.
Reacciones independientes de la luz (Ciclo de Calvin–Benson):
Se producen moléculas de glucosa y otros carbohidratos usando ATP y NADPH, a partir de $CO_2$ y agua.
Tienen lugar en el estroma, el fluido en el que se encuentran los tilacoides.
6.2 Resumen de la Fotosíntesis (5 de 7)
Etapas de la fotosíntesis:
A. Reacciones dependientes de luz (vía principal):
ATP, NADPH y oxígeno son producidos.
B. Reacciones independientes de la luz (Ciclo de Calvin):Usan ATP y NADPH para formar azúcares.
6.2 Resumen de la Fotosíntesis (6 de 7)
Las reacciones independientes de la luz son responsables de construir azúcares a partir de $CO_2$ y agua, utilizando la energía proporcionada por NADPH y ATP. Las reacciones dependientes de la luz son llevadas a cabo por moléculas que están incrustadas en la membrana de los tilacoides, que están rodeadas por dos membranas externas del cloroplasto. Los cloroplastos se derivan de ancestros de cianobacterias, lo que sugiere un origen endosimbiótico.
6.2 Resumen de la Fotosíntesis (7 de 7)
La estructura de los cloroplastos incluye:
Membrana tilacoide.
Membrana externa.
Estroma.
El sistema de membranas tilacoides forma compartimentos y permite la organización de los procesos fotosintéticos.
6.3 El Sol como Fuente de Energía (1 de 8)
Los pigmentos fotosintéticos actúan en conjunto para captar luz en diferentes longitudes de onda. Engelmann identificó que las longitudes de onda de luz violeta y roja son las que impulsan la fotosíntesis, al observar que las algas que usaban esos colores producían la mayor cantidad de oxígeno.
6.3 El Sol como Fuente de Energía (2 de 8)
Se muestran diferentes longitudes de onda de luz, desde $400 ext{ nm}$ hasta $700 ext{ nm}$, indicando cómo las diferentes longitudes pueden influir en la actividad fotosintética.
6.3 El Sol como Fuente de Energía (3 de 8)
La luz visible forma parte del espectro electromagnético de la energía radiante del sol. La luz viaja en ondas, organizadas en fotones. Cada longitud de onda se define como la distancia entre las crestas de dos ondas sucesivas, siendo medida en nanómetros (nm), donde las longitudes de onda más cortas poseen mayor energía.
6.3 El Sol como Fuente de Energía (4 de 8)
En la imagen se muestran varios tipos de radiación, desde rayos gamma y rayos X hasta microondas y ondas de radio, organizadas por longitud de onda desde las más cortas (mayor energía) a las más largas (menor energía).
6.3 El Sol como Fuente de Energía (5 de 8)
Pigmento: Es una molécula orgánica que absorbe selectivamente energía lumínica de longitudes de onda específicas.
Clorofila a: Es el pigmento fotosintético más común, que absorbe luz violeta y roja, reflejando la luz verde. Existen además otros pigmentos llamados pigmentos accesorios, que permiten optimizar la captura de luz en un rango de colores
diverso. Estos otros pigmentos pueden incluir carotenoides, que son responsables de los tonos amarillo y naranja en plantas.
6.3 El Sol como Fuente de Energía (6 de 8)
Los diferentes pigmentos y su absorción de luz son organizados, mostrando cómo diferentes organismos fotosintéticos emplean una combinación de pigmentos para optimizar el proceso de fotosíntesis.
El espectro de absorción muestra cuáles longitudes son mejor absorbidas por cada pigmento.
6.3 El Sol como Fuente de Energía (7 de 8)
El análisis de la cantidad de luz absorbida por diferentes pigmentos revela la eficiencia de cada uno en la captura de energía lumínica, destacando cómo las plantas adaptan su composición de pigmentos según su contexto ambiental.
6.3 El Sol como Fuente de Energía (8 de 8)
Cada pigmento presenta un espectro de absorción único, que es un indicador clave para entender cómo cada molécula interviene en el proceso global de la fotosíntesis, incluyendo los colores verde de la clorofila, azul de los fitocianinas y rojo de la ficoeritrina.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (1 de 14)
La fotosíntesis comienza cuando la luz es absorbida por un fotosistema, que es un complejo de pigmentos, proteínas y cofactores en la membrana del tilacoide.
El centro de reacción del fotosistema consta de un par especial de moléculas de clorofila a que absorben la energía. Cuando este par absorbe energía, se produce la emisión de electrones.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (2 de 14)
Existen dos tipos de fotosistemas:
Tipo I: tiene un par especial P700, que absorbe mejor los fotones de $700 ext{ nm}$.
Tipo II: tiene un par especial P680, que absorbe mejor los fotones de $680 ext{ nm}$.
Este arreglo se encuentra en un complejo cosechador de luz que permite la absorción de fotones que energizan electrones.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (3 de 14)
Una descripción gráfica ilustra un "par especial", siendo dos moléculas de clorofila asociadas en el centro de reacción de un fotosistema y cómo se organizan en un complejo de absorción de luz.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (4 de 14)
La ruta cíclica apunta a usar el fotosistema I, donde se emplea la cadena de transferencia de electrones. Esta cadena utiliza la energía proveniente de los fotosistemas para transportar activamente $H^+$ a través de la membrana desde el estroma hacia el compartimiento del tilacoide. Este proceso utiliza el potencial del gradiente de $H^+$, facilitando la fosforilación del ADP a ATP.
Los electrones viajan de regreso al fotosistema I, completando así el ciclo.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (5 de 14)
Durante todo este proceso, se observa el flujo de electrones y $H^+$, mostrando cómo el fotosistema I es esencial para producir ATP, evidenciando la base del ciclo de la fotosíntesis y el papel crucial del electron transfer chain en este proceso.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (6 de 14)
La fase en donde un par especial en el fotosistema I absorbe energía lumínica y emite electrones se detalla al igual que el flujo de electrones en la cadena de transporte a través del tilacoide. Este flujo mantiene la creación de un gradiente de $H^+$, esencial para la síntesis de ATP.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (7 de 14)
Los electrones que llegan al final de la cadena de transferencia pueden regresar a la fotosistema I. Los iones de hidrógeno siguen su gradiente a través de la ATP sintasa, lo que resulta en la fosforilación de ADP y la formación de ATP. Este proceso se denomina fosforilación por transferencia de electrones y es esencial para la producción de energía.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (8 de 14)
Los datos sobre las rutas no cíclicas que utilizan tanto el fotosistema I como el II se explican. Aquí, se indica que la absorción de energía lumínica por el fotosistema II permite la separación de electrones de las moléculas de agua, proceso conocido como fotólisis, resultando en la producción de oxígeno como subproducto. Esto destaca las diferencias y la interdependencia entre ambos fotosistemas.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (9 de 14)
Una discusión de lo que ocurre en la cadena de transferencia con la aceptación de electrones por estos fotosistemas, específicamente cómo el NADP+ se convierte en NADPH para ser utilizado en las reacciones independientes, se elabora, validando la función de estos electrones en la creación de moléculas energéticas.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (10 de 14)
La descripción de la interacción entre la energía lumínica y el proceso de fotofosforilación del ADP muestra cómo se entrelazan las diferentes etapas de la fotosíntesis, enfatizando la colaboración esencial entre luz, electrones y recursos químicos.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (11 de 14)
La absorción de energía por un fotosistema II y la subsecuente emisión de electrones es detallada, así como la ruptura de moléculas de agua. Este proceso no solo libera oxígeno, sino que también es vital para establecer un gradiente de $H^+$, lo que potencia el proceso de fosforilación de ATP.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (12 de 14)
Se concluye el ciclo de las reacciones dependientes de luz, centrando la atención en cómo el flujo de electrones y el papel del fotosistema I y II se conectan y permiten la producción de moléculas energéticas claves necesarias durante el ciclo de la fotosíntesis.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (13 de 14)
El desarrollo evolutivo de las rutas cíclicas se describe, así como es esencial para entender cómo la fotosíntesis pudo generar ATP. Esto proporciona un contexto sobre cómo las plantas y cianobacterias utilizan ambos fotosistemas para asegurar la fotosíntesis eficaz.
6.4 Las Reacciones Dependientes de Luz (14 de 14)
Se presenta el esquema Z, que ilustra el flujo de energía en las reacciones no cíclicas de la fotosíntesis, mostrando el papel que desempeñan el P680 y P700 en la liberación de electrones y su unificación en el flujo de energía que finalmente alimenta la producción de azúcares.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (1 de 13)
El ciclo de Calvin–Benson es crucial en las reacciones independientes de la luz, utilizando átomos de carbono del $CO2$ para construir el esqueleto de carbono de las moléculas de azúcar. Este proceso se ejecuta en el estroma del cloroplasto mediante la acción de la enzima rubisco, que une el $CO2$ a RuBP, generando así PGA (ácido 3-fosfoglicerato).
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (2 de 13)
El esquema del ciclo de Calvin-Benson muestra cómo las diferentes moléculas de ADP y ATP son utilizadas en este ciclo, con retornos al uso de NADPH. La producción global resulta en PGAL, que es un intermediario clave para varias vías metabólicas.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (3 de 13)
Se detalla el proceso por el cual tres moléculas de $CO_2$ entran a la célula fotosintética y cómo la acción de rubisco resulta en la formación de PGA y luego en la conversión de PGA a PGAL, enfatizando el crecimiento y asimilación de carbono en las plantas.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (4 de 13)
Parte del PGAL es exportado hacia el citoplasma, donde se combina para producir sacarosa, el azúcar que sirve como reserva energética para la planta, reforzando la importancia del ciclo de Calvin-Benson en el metabolismo de la planta.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (5 de 13)
Las plantas que utilizan solamente el ciclo de Calvin-Benson son clasificadas como plantas C3, que enfrentan un reto cuando las estomas se cierran ya que esto genera competencia entre $O2$ y $CO2$ por el sitio activo de rubisco, iniciando un proceso de fotorespiración, que es ineficiente y puede llevar a la pérdida de carbono.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (6 de 13)
Se efectúa una observación sobre el papel de las estomas en el intercambio gaseoso, y cómo la etimología de este proceso refleja el balance físico y biológico necesario para la fotosíntesis. El cierre de las estomas durante condiciones adversas cambia las concentraciones internas de $O2$ y $CO2$ en la planta.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (7 de 13)
El fenómeno de la fotorespiración se discute, haciendo énfasis en los problemas que genera para la producción de azúcares a través de un proceso ineficiente que requiere de energía adicional, enlazándose con el ciclo de Calvin-Benson donde los productos intermedios se movilizan entre distintas organelas celulares.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (8 de 13)
Los procesos adaptativos en las plantas que buscan minimizar los efectos de la fotorespiración están destacados. Las plantas C4 como el maíz emplean un conjunto adicional reacciones para hacer azúcares en condiciones secas, logrando de esta manera aumentar la eficiencia del uso del carbono.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (9 de 13)
Se observa una imagen donde se comparan las adaptaciones de los cloroplastos en plantas C3 y C4, mostrando cómo se optimiza la fijación de carbono en diferentes entornos. Las plantas C4 tienen cloroplastos tanto en el mesófilo como en la vaina del haz vascular, permitiendo la fotosíntesis en ambas localizaciones.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (10 de 13)
La función de las plantas C4 es evaluada en referencia a la acumulación de $O2$ incluso cuando las estomas están cerradas. Este proceso les permite mantener una alta concentración de $CO2$ frente a niveles de $O_2$, lo que reduce la fotorespiración debido al modo eficiente que operan en situaciones de estrés.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (11 de 13)
Las plantas CAM representan un último método de fijación de carbono, permitiendo a las plantas, como los cactus, realizar este proceso durante la noche, aprovechando los momentos en que las estomas están abiertas. Este método maximiza la eficiencia bajo condiciones secas.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (12 de 13)
El ciclo de vida de las plantas CAM se discute nuevamente, aludiendo a su capacidad para convertir malato a $CO_2$ durante el día y así alimentar el ciclo de Calvin, lo cual representa una adaptación estratégica para evitar el estrés hídrico.
6.5 Las Reacciones Independientes de Luz (13 de 13)
Se cierra la sección sobre las plantas CAM, enfatizando cómo su modo de fijación de carbono minimiza la fotorespiración al asegurar altos niveles de $CO_2$ cerca de rubisco y permitiendo una producción continua de azúcares, resaltando su resiliencia biológica.