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Guía de estudio – Fotosíntesis
Profesor Gustavo Arriagada Bustamante
Primero medio. Unidad 2. Organismo ambiente y sus interacciones:
Flujos de materia y energía en el ecosistema.
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Curso:
Objetivos
Reconocer a la fotosíntesis como mecanismo de formación
de materia y energía en organismos autótrofos.
Describir la función del cloroplasto en la fotosíntesis
incluyendo el papel de la clorofila.
Fecha:
Contenidos
Características de la luz importantes para la
fotosíntesis. Pigmentos y pigmentos fotosintéticos.
Estructura y funcionamiento de los fotosistemas.
Estructura de los cloroplastos. Descripción de las
fases dependiente e independiente de la luz.
Factores que afectan la tasa fotosintética.
Introducción
Los organismos autótrofos cosechan energía directamente del ambiente, y obtienen
carbono a partir de moléculas inorgánicas. Las plantas y la mayoría de los autótrofos
sintetizan sus nutrientes gracias a un proceso bioquímico complejo con el cual usan la
energía de la luz solar para ensamblar carbohidratos a partir de dióxido de carbono y
agua. Pero esto no se detiene aquí ya que, directa o indirectamente, la fotosíntesis
también alimenta a otras formas de vida en la Tierra. De hecho, para vivir los
organismos heterótrofos obtienen tanto la energía como el carbono al descomponer
moléculas orgánicas armadas previamente por los autótrofos. En esta guía veremos
cómo funciona la fotosíntesis, la fuente principal de energía para los heterótrofos y del
oxígeno de nuestra atmósfera.
6 CO2 + 6 H2O→ C6 H12O6 + 6 O2
En la fotosíntesis se reconocen dos etapas: (a) una fase dependiente de la luz o fase clara en que ocurre la química
que captura la energía lumínica y (b) una fase independiente de la luz o fase obscura en que se usa la energía
capturada para fijar átomos de carbono en moléculas más complejas. Por lo anterior, la fase obscura puede suceder
tanto de día como de noche.
Propiedades de la luz
La mayor parte de la energía que llega a la superficie de la Tierra está en el forma de luz visible, que solamente una
parte muy pequeña del amplio espectro de la energía radiante del Sol. Al igual que todas las demás formas de
energía electromagnética, la luz viaja en ondas, organizada en paquetes de energía llamados fotones.
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La energía de un fotón y su longitud de onda se relacionan: todos los fotones que viajan en la misma longitud de
onda tienen la misma cantidad de energía.
Los fotones que transportan la menor cantidad de energía tienen longitudes de onda largas; mientras los que llevan
la mayoría de la energía son de longitudes de onda más cortas.
Los fotones de longitudes de onda más cortas que aproximadamente 380 nanómetros 1 llevan suficiente energía para
alterar o romper los enlaces químicos de ADN y otras moléculas biológicas. Por eso UV (ultravioleta), rayos X y los
rayos gamma son una amenaza para la vida.
Pigmentos fotosintéticos
El flujo de energía que viene del Sol, pasa a través de casi todos
los ecosistemas de la Tierra comienza cuando los organismos
fotosintetizadores interceptan la energía de la luz. Lo hacen en
un proceso divisible al menos en dos grandes etapas, que
permite incorporar la energía lumínica al interior del organismo
transformándola en energía química. Quedará almacenada en
una molécula de ATP, hasta que sea necesaria para formar otras
moléculas orgánicas más estables.
Si es que hay fotosíntesis es debido a los llamados pigmentos
fotosintéticos: se trata de compuestos químicos formados por la
unión de moléculas de lípidos y proteínas, que se encuentran en
algunas membranas biológicas y que son capaces de absorber la
energía de la luz.
Un pigmento es una molécula orgánica que absorbe
selectivamente luz de longitudes de onda específicas. Las
longitudes de onda de luz que no son absorbidos se reflejan, y esta luz reflejada le da a cada pigmento su color
característico. Entonces, un pigmento que absorbe violeta, azul y verde claro refleja el resto de la luz de espectro
visible de color amarillo, naranja, y la luz roja. Para nosotros, aparecerá de color anaranjado.
Las plantas contienen una gran variedad de pigmentos que dan lugar a sus colores. Sin embargo, se denomina
pigmentos fotosintéticos solamente a los que tienen la capacidad de absorber la energía de la luz solar y hacerla
disponible para el aparato fotosintético. En las plantas terrestres hay dos clases de pigmentos fotosintéticos: las
clorofilas y los carotenoides.
La clorofila a es el pigmento fotosintético más común en las plantas, en los protistas y las bacterias fotosintéticas.
Los otros pigmentos fotosintéticos, llamados pigmentos accesorios, incluyen otras clorofilas, trabajan junto con la
clorofila a cosechando una amplia gama de longitudes de onda de luz para la fotosíntesis.
Pigmentos accesorios son típicamente moléculas polivalentes. Sus propiedades antioxidantes protegen a las plantas
y otros organismos de los efectos perjudiciales de la luz UV; sus
colores atraen a los animales a la fruta madura o a los polinizadores
de las flores. Las zanahorias son de color naranja, ya que tienen una
gran cantidad de beta-caroteno (β-caroteno). El color amarillo del
maíz (Zea mays) proviene de zeaxantina. Los tomates cambian de
verde a rojo a medida que maduran porque sus cloroplastos que
contienen clorofila se transforman en cromoplastos que contienen
licopeno. Las rosas son rojas y las violetas son azules debido a su
contenido de antocianinas.
La mayoría de los organismos fotosintéticos utilizan una
combinación de pigmentos.
Fotosistemas
Son dos complejos proteicos asociados a los pigmentos fotosintéticos
el fotosistema 1 (PS I) y el fotosistema 2 (PS II). En cada uno de
Esquema de fotosistema
1 Un nanómetro corresponde a una longitud de una mil millonésima de metro o una millonésima de milímetro.
1 nm = 10-9 m = 10 -6 mm
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ellos se distinguen dos componentes: una antena colectora de luz y el centro de reacción. La antena está constituida
por pigmentos fotosintéticos que sólo pueden captar de la energía luminosa y transmitirla al centro de reacción,
donde se encuentran los pigmentos diana que son capaces de transferir electrones y comenzar la cadena de
reacciones químicas de la fotosíntesis.
Fotosistema 1 (PS I)
Fotosistema 2 (PS II)
Mayor o igual a 700 nm
Mayor o igual a 680 nm
Pigmentos fotosintéticos de la antera de la luz
Clorofila a,clorofila b.
Clorofila a, clorofila b, xantófilas.
Pigmentos fotosintéticos de centro de reacción
Clorofila P700
Clorofila P680
Rango de absorción de luz
En el centro de cada fotosistema existe un par especial de moléculas de clorofila a, son los aceptores primarios de
electrones.
Los cloroplastos
Los cloroplastos están formados por varios
compartimentos delimitados por membranas. El
más externo es su membrana citoplasmática
doble, por lo que existe un espacio
intermembranoso. En el interior del organelo se
encuentran los tilacoides que son sacos
aplanados delimitados por una membrana y
amontonados formando estructuras a modo de
pilas de monedas denominadas grana. Los
distintos grana están conectados entre sí
mediante membranas. En las membranas de los
tilacoides se sitúan las proteínas y moléculas
responsables de una realizar la captura de la
energía lumínica.
Además, se llama estroma al espacio interno del
cloroplasto no ocupado por los tilacoides. Allí
está el ADN propio del cloroplasto y es dónde ocurre la fijación de carbono, la fase no dependiente de la luz.
Fase clara o dependiente de la luz
Cuando una molécula de la
clorofila P680 del PSII absorbe un
fotón, la energía de esta luz excita a
un electrón del pigmento
elevándole su nivel de energía por
un corto tiempo. Rápidamente, el
electrón emite como luz la energía
extra y cae de nuevo a su estado no
excitado. Esta energía va excitándo
a sucesivos electrones de la antena
de luz, hasta que la energía llegue
al par de moléculas de clorofila del
aceptor primario de electrones,
entonces cada una de ellas pierde
un electrón (excitado por la luz) los
que son enviados hacia una
secuencia de proteínas contenidas
en la membrana del tilacoide, llamada cadena transportadora de electrones.
La energía liberada en la cadena transportadora de electrones permitirá formar ATP (adenosín trifosfato) a partir de
ADP (adenosín difosfato). A esta ganancia de fósforo gracias a la energía de la luz se la llama fotofosforilación del
ADP.
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Como la clorofila del PSII perdió dos electrones, estos son remplazados por electrones provenientes de la fotólisis
de agua, que ocurre en la membrana del tilacoide. Esto es la rotura de la molécula de agua, que genera O,
2 protones (H+) y los 2 electrones que irán al PSII. Los H+ se acumularán al interior del tilacoide y el oxígeno
finalmente será liberado como O2.
Simultáneamente a lo anterior, la luz también llega a los pigmentos de la antena del PSI y es transferida hasta la
clorofila P700 del centro de reacción, que al excitar a los dos electrones de la clorofila central, los hará llegar al
aceptor primario de una segunda cadena transportadora de electrones. Finalmente, los electrones se transferirán a la
molécula de NADP+, que junto con los H+, formará NADPH.
La energía de la luz capturada por ambos fotosistemas queda contenida en las moléculas
de ATP formadas por fotofosforilación y por la reducción del NADP+
que se transformará en NADPH.
Fase oscura o no dependiente de la luz
Esta etapa ocupa el NADPH y ATP formados en la fase clara, para fijar carbono
convirtiéndolo en moléculas útiles al organismo. Todas estas reacciones ocurren en el
estroma del cloroplasto y en su conjunto forman al llamado “Ciclo de Calvin”.
Se distinguen 2 etapas: fijación del CO2 y su reducción.
a) Fijación del CO2
El CO2 atmosférico difunde hasta el estroma del cloroplasto, donde la enzima llamada
RUBISCO, lo une a una molécula de 5 carbonos, la RuDP (ribulosa difosfato). Así se
forma un compuesto inestable de 6 átomos de C, que se romperá en dos moléculas de
PGA (fosfoglicerato). Cada molécula de PGA tendrá 3 átomos de C.
Melvin Calvin
b) Reducción del CO2 fijado previamente.
Consumiendo el ATP y el NADPH
formados en la fase clara, el PGA es
reducido (gana electrones) hasta
gliceraldehido fosfato. Las moléculas de
gliceraldehido fosfato podrán seguir estos
dos caminos:
• La mayoría se usará para
regenerar RuDP.
• El resto se empleará para la
biosíntesis de glúcidos,
aminoácidos y ácidos orgánicos.
En el Ciclo de Calvin, por cada molécula de CO2 atmosférico que se fija se necesitan 2 de
NADPH y 3 de ATP.
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Resumiendo
Para formar una molécula de glucosa (C6H12O6) se requerirán 6 de CO2 y 12 de H2O en la
fase clara. 12 NADPH y 18 ATP desde la fase no dependiente de la luz.
Bibliografía
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