Fotosíntesis

¿Qué es la fotosíntesis?

La glucosa formada en la fotosíntesis proporciona energía a la planta y moléculas de carbono para fabricar una amplia gama de biomoléculas.

La fotosíntesis consta de dos etapas: la fase dependiente de la luz y la fase independiente de la luz. A veces llamamos a la fase independiente de la luz reacción oscura o ciclo de Calvin.

¿Dónde se produce la fotosíntesis en la planta?

La fotosíntesis tiene lugar en la hoja, específicamente en los cloroplastos.

Como muestra la Figura 1, las hojas también tienen múltiples adaptaciones celulares que permiten que se produzca la fotosíntesis. Estas incluyen:

• Células mesófilas alargadas, que: permiten que haya más cloroplastos en su interior. Los cloroplastos se encargan de recoger la energía luminosa del sol.
• Múltiples estomas, que permiten el intercambio gaseoso; por lo que hay una vía de difusión corta entre las células del mesófilo y los estomas. Los estomas también se abren y cierran, en respuesta a los cambios en la intensidad de la luz.
• Redes de xilema y floema que, respectivamente, llevan agua a las células de la hoja y transportan los productos de la fotosíntesis —concretamente, la glucosa—.
• Múltiples espacios de aire en el mesófilo inferior (esponjoso). Estos permiten una difusión más eficaz del dióxido de carbono y del oxígeno.

Los cloroplastos contienen clorofila, un pigmento verde que puede capturar la luz solar. La clorofila se encuentra en la membrana de los discos tilacoides, que son pequeños compartimentos dentro de la estructura del cloroplasto. La reacción dependiente de la luz tiene lugar a lo largo de esta membrana tilacoide. La reacción independiente de la luz tiene lugar en el estroma, un fluido dentro del cloroplasto que rodea a los discos tilacoides (llamados, colectivamente, grana).

A continuación, la figura 2 muestra la estructura general de un cloroplasto:

Reacción de la fotosíntesis

En las plantas, la reacción global de la fotosíntesis es: dióxido de carbono + agua + energía solar → glucosa + oxígeno

Al representarla como una ecuación química balanceada, se obtiene:$6{\mathrm{CO}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{Energía}\mathrm{solar}}{\to }{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2$

Fases de la fotosíntesis

La fotosíntesis tiene 2 etapas principales: la fase luminosa (dependiente de la luz) y la fase oscura (independiente de la luz). Podemos dividir el proceso completo en cinco etapas más cortas.

Fase dependiente de la luz

Llamada también fase luminosa, necesita de la luz solar para llevarse a cabo; es decir, que ocurre durante el día.

Los productos de las reacciones dependientes de la luz son: ATP, NADPH, iones H⁺ y oxígeno.

Etapa 1: Absorción de la luz

En la primera etapa, la clorofila en los tilacoides de los cloroplastos absorbe energía luminosa. Esto resulta en que uno de sus electrones se mueva a un estado de energía mayor. La clorofila se ioniza, cuando el electrón abandona la molécula de clorofila y es transportado por una cadena de transferencia de electrones —a través de la membrana del tilacoide, hasta una molécula aceptora—.

Etapa 2: Oxidación

El electrón perdido por la clorofila es reemplazado por un electrón proveniente de una molécula de agua. Para esto, el agua se divide en oxígeno, iones H⁺ y electrones. A continuación, los electrones son transportados por la plastocianina (proteína que contiene cobre y que media en la transferencia de electrones) para la siguiente parte de la fase luminosa.

La ecuación de esta reacción es: $2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{O}}_2+4{\mathrm{H}}^{+}+4{\mathrm{e}}^{-}$

Etapa 3: Reducción

Los electrones producidos en la última etapa se utilizan para producir NADPH (NADP reducido). El NADPH es una molécula esencial para las reacciones independientes de la luz.

La ecuación para esta reacción es:${\mathrm{NADP}}^{+}+{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{NADPH}$

Etapa 4: Generación de ATP

En la etapa final de las reacciones dependientes de la luz, se genera ATP en la membrana tilacoide de los cloroplastos. El ATP, la adenosina 5-trifosfato, suele denominarse la moneda energética de la célula. Al igual que el NADPH, es esencial para las reacciones independientes de la luz.

La ecuación de esta reacción es:$\mathrm{ADP}+\mathrm{Pi}\to \mathrm{ATP}$

Fase independiente de la luz

Es llamada también fase oscura, aunque este nombre puede ser confuso. Las reacciones independientes de la luz no se llevan a cabo necesariamente durante la noche; simplemente, no necesitan de luz para llevarse a cabo, ya que utilizan los productos obtenidos en la fase previa.

Etapa 5: Fijación del carbono

Esta fase ocurre en el estroma del cloroplasto. A través de una serie de reacciones, el ATP y el NADPH producidos anteriormente se utilizan para convertir el dióxido de carbono en glucosa. Es decir, se fijan o incorporan átomos de carbono del CO₂ para formar moléculas de glucosa. Esta reacción es catalizada por la enzima ribulosa bifosfato carboxilasa oxigenasa, comúnmente conocida como rubisco.

La ecuación general para esto es:

$6{\mathrm{CO}}_2+12\mathrm{NADPH}+18\mathrm{ATP}\to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+12{\mathrm{NADP}}^{+}+18\mathrm{ADP}+18\mathrm{Pi}$

Los productos de las reacciones independientes de la luz son glucosa, NADP⁺, ADP y Pi .

Pigmentos fotosintéticos

Los pigmentos fotosintéticos son cruciales para la fotosíntesis, ya que son los que absorben los fotones (ondas de luz), la fuente primaria de energía para la planta. Tras absorber los fotones, los electrones contenidos en los pigmentos se excitan y aumentan su nivel de energía. Diferentes pigmentos absorben y reflejan diferentes longitudes de onda de luz, lo que permite a una planta obtener la mayor cantidad de energía posible de una sola fuente de luz.

Existen dos grupos de pigmentos fotosintéticos:

• Los pigmentos primarios —como la clorofila— pueden oxidarse y donar un electrón a la cadena de transporte de electrones en la fase luminosa.
• Los pigmentos accesorios —como los carotenoides, las antocianinas y las xantofilas— pueden transmitir esta energía a los pigmentos primarios.

Fotorrespiración

En períodos muy calurosos, como en verano, muchas plantas producen menos carbohidratos de lo que se espera por medio de la fotosíntesis. Lo que sucede es que, a altas temperaturas y un ambiente seco, los estomas se cierran para evitar la pérdida excesiva de agua en forma de vapor. Recuerda que tanto la entrada como la salida de gases en la hoja son reguladas por los estomas.

En este caso, el CO₂ que la planta logró captar se agota rápidamente con la fotosíntesis, mientras que el O₂ que se produce se acumula. La enzima rubisco, además de carbono, también puede unirse al oxígeno (como su nombre lo indica); al haber niveles altos, es más fácil que se una al oxígeno que al carbono.

Este proceso se llama fotorrespiración porque ocurre durante el día cuando hay luz. Al igual que la respiración aeróbica, utiliza oxígeno y produce CO₂ y H₂O (al contrario de la fotosíntesis que utiliza carbono y produce oxígeno). Pero, a diferencia de la respiración aeróbica, no se produce ATP; más bien, este es utilizado durante la fotorrespiración, por lo que la eficiencia de la fotosíntesis se ve reducida.