Breve historia de la fotosíntesis

Breve historia de la fotosíntesis
Uno de los primeros pasos en el desarrollo del conocimiento de la fotosíntesis, fue
el que llevó a cabo el médico Holandés Van Helmonten, en 1648, el cual decía
que los vegetales toman el peso del agua con que se riegan.
Este científico plantó un pequeño sauce en una maceta y la regó periódicamente.
Luego de 5 años el sauce había incrementado su peso en 75kg., mientras que la
tierra de la maceta había disminuido su peso en sólo 70 gr. Así concluyó que toda
la "sustancia" de la planta se había originado del agua, no del suelo. Pasaron
muchos años y muchos experimentos científicos hasta que se llegó a descubrir
cómo era el proceso de fotosíntesis y aún hoy en día se continúan descubriendo
detalles químicos y metabólicos, es decir, aún hoy hay pasos químicos que
realizan los autótrofos que no se conocen.
En 1772, Joseph Priestley descubrió la participación de los gases en el proceso de
la fotosíntesis.
En 1905, un científico británico llamado H. Blackman demostró que la fotosíntesis
ocurre en dos series de reacciones, una en presencia de luz y otras reacciones
que no requieren luz.
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Concepto de fotosíntesis
La fotosíntesis se presenta en vegetales, algas y cierto tipo de bacterias. En este
caso, se analizará la fotosíntesis en los vegetales.
La fotosíntesis utiliza energía de la luz solar para sintetizar productos ricos en
energía, glucosa y oxígeno, a partir del dióxido de carbono y agua. Así la
fotosíntesis convierte la energía electromagnética de la energía solar en energía
química almacenada en uniones de oxígeno y glucosa. La ecuación química
general para el proceso de fotosíntesis es la siguiente:
6CO2 +6H2 O + energía solar C6H12O6 + 6 O2
Se ha indicado que la fotosíntesis es un proceso anabólico, que ocurre en los
cloroplastos y que cada célula vegetal puede tener de unos 20 a 100 cloroplastos.
El término cloroplasto, se deriva del griego khloros, que quiere decir verde claro,
verde amarillento, y plastos, que quiere decir formado. El cloroplasto es una
organela esencial de la célula vegetal.
La estructura general de un cloroplasto es la siguiente:
Posee una membrana exterior formada por dos capas dentro de la cual se puede
observar una sustancia llamada estroma.
El estroma contiene enzimas y unos cuerpos pequeños llamados granos, los
cuales contienen un pigmento verde, la clorofila. Esta puede ser de varios tipos,
las más importantes se denominan clorofila a y clorofila b.
Los tilacoides están formados por capas de moléculas de proteínas separados por
capas de clorofila y algunos lípidos.
Los cloroplastos contienen pigmentos, que son moléculas capaces de "capturar"
ciertas cantidades de energía lumínica. Dentro de los pigmentos más comunes se
encuentra la clorofila a y la clorofila b, típica de plantas terrestres, Cada uno de
estos pigmentos se "especializa" en captar cierto tipo de luz. El espectro lumínico
que proviene del sol se puede descomponer en diferentes colores, a través de un
prisma, cada color corresponde a una cierta intensidad de luz, que puede medirse
en longitudes de onda. Cada pigmento puede capturar un tipo distinto de longitud
de onda ß.
Pero para hacer más eficiente la absorción de luz, las plantas utilizan sistemas
"trampa" o fotosistemas, con un pigmento principal como la clorofila a o b y
diferentes pigmentos accesorios. A través de estos sistemas los organismos
autótrofos pueden aprovechar mejor la energía lumínica.
En la membrana de los tilacoides, se ubican los pigmentos fotosintéticos, que
pueden captar la energía lumínica y dar comienzo a la etapa fotodependiente.
El proceso de la fotosíntesis ocurre en dos fases: una fase que requiere,
esencialmente, la presencia de luz, denominada fase luminosa, y la otra fase
llamada fase oscura, la cual no requiere la presencia de luz para que se lleve a
cabo.
Fase luminosa
Hay que tomar en cuenta, que en la fase luminosa de la fotosíntesis, se obtienen
dos productos muy importantes para la planta, los cuales son el ATP ( adenosín
trifosfato) y el NADPH
A continuación se detallan algunos de los eventos que ocurren en la fase
luminosa:
Como ya se ha mencionado, la clorofila y otros pigmentos se ubican en los
cloroplastos, dentro de la membrana tilacoide, en unidades llamadas fotosistemas.
Cada unidad tiene numerosas moléculas de pigmentos que se utilizan como
antenas para atrapar la luz. La fase luminosa se divide en dos etapas
Fotofosforilación cíclica
Es un conjunto cíclico de reacciones, en donde la energía luminosa es absorbida
por una molécula de clorofila, la cual se excita y provoca la expulsión de un
electrón de la molécula.
Este electrón de alta energía pasa por una serie de sustancias “transportadoras”.
Durante su recorrido, este electrón transfiere parte de su energía a la molécula de
ADP, para transformarla en dos moléculas de ATP. Luego el electrón, vuelve
nuevamente a la clorofila del Fotosistema I o centro de reacción.
Fotofosforilación acíclica:
En esta subfase se forma ATP y NADPH2 . La energía luminosa es absorbida por
la clorofila b, del fotosistema II, y ésta pierde un electrón de alta energía, el cual es
tomado por un aceptor de electrones que lo transfiere, por el sistema de
citocromos, a la clorofila a. Casi simultáneamente, cuando la clorofila b pierde un
electrón, este es reemplazado por otro procedente de un hidroxilo resultante de la
fotólisis del agua (proceso en el cual la luz descompone al agua para que esta se
divida en moléculas de iones hidroxilo e hidrógeno:
Al suceder esto las sustancias transportadoras de electrones regresan el primer
electrón a la molécula de clorofila a. y en este paso la energía que contiene el
electrón, se utiliza para formar ATP a partir de ADP. Luego los dos electrones de
alta energía expulsados de la clorofila, más dos iones de hidrógeno o procedentes
de la fotólisis del agua, se incorporan a la molécula de NADP para formar
NADPH2
El ATP y el NADPH2 , formados al final de la fase lumínica reciben el nombre de
poder asimilatorio, y es utilizado posteriormente en las reacciones de la fase
oscura o ciclo de Calvin, para reducir el CO2 a compuestos orgánicos tales como
carbohidratos, grasas, proteínas, además de liberarse oxígeno.
Fase oscura: En esta fase, ocurren una serie de factores que no requieren de
energía luminosa, entre ellas capturar el CO2 y las síntesis de sustancias
orgánicas. Esta fase también se denomina ciclo de Calvin-Benson. El ciclo de
Calvin- Benson ocurre en el estroma del cloroplasto. Allí se encuentran las
enzimas necesarias que catalizarán la conversión de dióxido de carbono en
glucosa En esta fase participan las siguientes sustancias:




Ribulosa difosfato (azúcar de cinco carbonos)
CO 2 (dióxido de carbono)
ATP y NADP+H+ : sustancias obtenidas en la fase luminosa.
PGAL (fosfogliceraldehído).
El dióxido de carbono ingresa a través de los estromas y llega hasta la molécula
aceptora, llamada ribulosa difosfato (azúcar de cinco carbonos). Esta sustancia
reacciona con el dióxido de carbono y forman una molécula de 6 carbonos que
termina rompiéndose en dos moléculas de 3 carbonos cada una. El primer
producto estable de la fijación del CO 2 es el ácido-3-fosfoglicérico (PGA), un
compuesto de 3 carbonos.
Una parte del fosfogliceraldehido es utilizada en el ciclo para sintetizar glucosa,
mientras que el resto se utiliza para regenerar ADP y P i , la que da comienzo a
un nuevo ciclo.
Importancia biológica de la fotosíntesis:
1. La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realizan
fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego ira pasando de unos seres
vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia
propia por los diferentes seres vivos.
2. Produce la transformación de la energía luminosa en energía química,
necesaria y utilizada por los seres vivos.
3. En la fotosíntesis se libera oxigeno que será utilizado en la respiración aerobia
como oxidante.
4. La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmosfera primitiva,
que era anaerobia y reductora.
5. De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles
fósiles como carbón, petróleo y gas natural.
6. El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin
la fotosíntesis.
Factores limitantes de la fotosíntesis
Factores externos: Como la intensidad de luz, la concentración de dióxido de
carbono y la acción de los plaguicidas, agroquímicos y otros, que afectan el suelo.
Factores intrínsecos: En estos tipos de factores podemos tener la
pigmentación de la planta y la presencia de hongos, bacterias y virus.
Quimiosíntesis:
Consiste en la síntesis de ATP a partir de la energía que se desprende en las
reacciones de oxidación de determinadas sustancias inorgánicas. Es decir, estos
organismos, llamados quimioautótrofos o quimiosintéticos no requieren de la
energía lumínica para obtener su alimento.
Todos ellos son bacterias. Muchos de los compuestos reducidos que se utilizan
como el NH3, son sustancias procedentes de la descomposición de la materia
orgánica. Al oxidarlas se transforman en sustancias minerales que pueden ser
absorbidas por las plantas.
Nutrición heterótrofa
La nutrición, o alimentación heterótrofa, la realizan aquellos seres vivos que no
son capaces de sintetizar, o formar sus propios alimentos.
A diferencia de las plantas, que fabrican su alimento a partir de la luz del sol, el
agua y el dióxido de carbono, los organismos heterótrofos deben ingerir y
descomponer sustancias, para obtener la energía, que almacenan en forma de
ATP. Esta energía se obtiene gracias a una serie de procesos que ocurren dentro
de la célula, que se conocen como respiración celular.
Respiración celular:
Es la capacidad que tienen las células para degradar sustancias orgánicas
complejas en otras más simples, con liberación de energía que almacenan en
forma de ATP.
Dicho de otra manera, la respiración celular es el conjunto de reacciones bioquímicas
que ocurren en la mayoría de las células. Es el conjunto de reacciones químicas
mediante las cuales se obtiene energía a partir de la degradación de sustancias
orgánicas, como los azúcares y los ácidos principalmente.
La respiración celular se clasifica en dos tipos:
Respiración anaeróbica: Es una forma de respiración que ocurre en el
citoplasma y no requiere la presencia de oxígeno. Dentro de la respiración
anaeróbica se tienen dos etapas.
* Glucólisis
* Fermentación
Glucólisis: Del griego glycos: azúcar y lysis: ruptura
Proceso mediante el cual se degrada o se rompe una molécula de glucosa.
Es el primer paso de la respiración, una secuencia compleja de reacciones que se
realizan en el citoplasma, o también llamado citosol de la célula, en el cual la
molécula de glucosa se desdobla o divide en dos moléculas de ácido pirúvico.
Es el ciclo metabólico más difundido en la naturaleza. Se le encuentra en los cinco
reinos, es decir, que lo realizan tanto organismos procariotas como eucariotas.
Muchos organismos obtienen su energía únicamente por la utilización de este
ciclo.
La glucólisis se puede resumir en dos procesos:
Preparación de la glucosa: Se necesita energía, que es suministrada por
dos moléculas de ATP, que servirán para fosforilar la glucosa y la fructosa,
enmascarando de esa manera a estos compuestos para no salir de la célula (por
algún sistema de transporte). Al final de esta fase se obtienen, en la práctica dos
moléculas de PGAL (fosforogliseroaldehído), ya que la molécula de DHAP
(dihidroxiacetona-fosfato), se transforma en PGAL (triosas).
Oxidación por parte del NAD y ganancia de energía: que afecta a las
dos moléculas de PGAL, se forman cuatro moléculas de ATP y dos moléculas de
NADH. Se produce una ganancia neta de dos moléculas de ATP.
Al final del proceso la molécula de glucosa queda transformada en dos moléculas
de ácido pirúvico, es en estas moléculas donde se encuentra en estos momentos
la mayor parte de la energía contenida en la glucosa.
FERMENTACIÓN: El proceso de fermentación anaeróbica se produce en
ausencia de oxígeno como aceptor final de los electrones del NADH producido en
la glucólisis. Es decir, es el proceso que permite obtener energía en ausencia de
oxígeno.
La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. También unos
metazoos y plantas menores son capaces de producirla.
Además en la industria de la fermentación puede ser oxidativa, es decir como
presencia de oxigeno, pero es una oxidación aeróbica incompleta, como la
producción de acido acético a partir del etanol.
La fermentación puede ser naturales cuando las condiciones ambientales permitan
la interacción del microorganismo, sustratos orgánicos susceptibles, o artificiales,
cuando el hombre propicia condiciones y en contacto referido.
USOS:
• El conocimiento de la dieta a través del desarrollo de una diversidad de
sabores, aromas y texturas en los substratos de los alimentos.
• Preservación de cantidades substanciales de alimentos a través del acido
lácteo, alcohólico, acido acético y fermentación alcalinas.
La fermentación tiene algunos usos exclusivos para los alimentos pueden producir
nutrientes importantes o eliminar autonutrientes.
Mediaciones de aprendizaje
Actividad 1: Marque con una X la respuesta que contesta correctamente el
enunciado.
1) Analice con atención las siguientes afirmaciones acerca de un proceso
biológico:
I. El ATP, el NADPH2 sintetizados en las reacciones dependientes de la luz se
disuelven en el estroma y ahí proporcionan energía para la síntesis de glucosa
a partir de dióxido de carbono y agua
II. En el fotosistema I, el centro de reacción es P700 y los electrones excitados
se transfieren al NADPH; y en el fotosistema II, el centro de reacción es P680
y la energía pasa a través de una cadena transportadora de electrones al ATP.
III. La reacción inicia cuando el difosfato de ribulosa recupera el dióxido de
carbono para formar ácido fosfoglicérico, que adquiere átomos de hidrógeno y
energía del ATP, el NADPH2 y los protones para formar un azúcar de tres
carbonos.
¿Cuál o cuáles de las afirmaciones anteriores corresponden a la fase oscura de la
fotosíntesis?
A) I y II.
B) I y III.
C) II y III.
D) II solamente
2) Lea la siguiente información sobre un proceso fotosintético:
• Utiliza la energía de la luz solar para convertir las moléculas inorgánicas de baja
energía en moléculas orgánicas de alto contenido energético como la glucosa.
• Renueva constantemente el oxígeno atmosférico, indispensable para la respiración
de los seres vivos.
¿A qué aspecto de la fotosíntesis se refiere la totalidad de la información anterior?
A) Descripción de la fase oscura.
B) Factores que intervienen.
C) Importancia.
D) Concepto.
3) Los textos del recuadro se refieren a dos procesos biológicos.
I. La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza
fundamentalmente mediante este proceso; luego irá pasando de unos seres vivos a
otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los
diferentes organismos.
II. La base de este proceso es capaz de extraer una mayor cantidad de energía por
cada molécula de glucosa que el proceso anaeróbico.
Estos se refieren a los procesos denominados
A) I respiración y II respiración.
B) I fotosíntesis y II respiración.
C) I respiración y II fotosíntesis.
D) I fotosíntesis y II fotosíntesis.
4) Analice la siguiente información relacionada con un proceso biológico.
-El proceso se inicia cuando el dióxido de carbono se une a la ribulosa difosfato, que
entonces se divide para formar dos moléculas de ácido fosfoglicérico. Esta reacción
escatalizada por una enzima especifica situada en la superficie de las membranas
tilacoidales. Cada paso del ciclo es regulado por una enzima específica.
-En cada vuelta completa del ciclo entra en este una molécula de dióxido de carbono
que es reducida, y se regenera una molécula de ribulosa difosfato. Tres vueltas del
ciclo introducen tres moléculas de dióxido de carbono, equivalentes a un azúcar de
tres carbonos.
-Se requieren seis vueltas del ciclo, con la introducción de seis moléculas de dióxido
de carbono, para producir el equivalente de un azúcar de seis carbonos como la
glucosa. El producto mismo del ciclo es un gliceraldehído fosfato.
¿Cuál es el nombre del proceso biológico descrito anteriormente?
A) Glucólisis, porque produce gliceraldehído fosfato.
B) Ciclo de Krebs, el cual se lleva a cabo en las membranas tilacoidales.
C) Fase oscura de la fotosíntesis, porque se restablece la ribulosa
difosfato.
D) Fase luminosa de la fotosíntesis, ya que en ella se produce dióxido de
carbono.
5) Los textos del recuadro se relacionan con dos procesos biológicos.
I. La energía electromagnética proveniente de la luz solar se transforma en energía
química.
II. Es el proceso en el cual se degrada y libera energía a partir de las moléculas de
combustible, como las de la glucosa, que se caracteriza por requerir oxígeno. Este
proceso se realiza dentro de una organela citoplasmática que es común a todos los
organismos eucarióticos, la mitocondria.
¿Qué nombre reciben cada uno de los procesos?
A) I fotosíntesis y II fotosíntesis.
B) I fotosíntesis y II respiración.
C) I respiración y II fotosíntesis.
D) I respiración y II respiración.
6) Considere los siguientes textos relacionados con dos procesos biológicos.
I. Se requiere de seis moléculas de oxígeno y seis de agua para degradar la
glucosa en el citoplasma y en la mitocondria de las células, proceso por el cual las
células generan ATP.
II. Cuanto mayor es la actividad realizada por los seres autótrofos, mayor es la
dilución del CO2, lo cual amortigua el efecto de invernadero.
Los textos I y II se refieren, respectivamente a:
A) fotosíntesis y fotosíntesis.
B) fotosíntesis y respiración.
C) respiración y fotosíntesis.
D) respiración y respiración.
7) La siguiente información se refiere a componentes químicos que participan en
diferentes procesos biológicos:
I. C6H12O6.
II. CO2.
III. H2S.
IV. O2.
¿Cuáles de ellos son necesarios para que el proceso de respiración celular
mitocondrial se lleve a cabo?
A) II, III y IV.
B) I, II y III.
C) I y IV.
D) II y III.
8) Lea cuidadosamente el siguiente texto referente a un aspecto de la respiración
celular:
Durante este proceso, la energía química contenida en los alimentos se transforma
en una clase especial de energía que se almacena en la molécula de ATP, siendo de
esta forma fácilmente utilizable por la célula.
¿Cuál es el aspecto de la respiración al que se refiere el texto anterior?
A) Descripción de glucólisis.
B) Aplicación de la fermentación
C) Descripción de respiración celular.
D) Importancia de la respiración celular.
Actividad 2: Analice la siguiente fórmula química
6 CO2 + 6 H2O + energía solar = C6H12O6 + 6 O 2
De acuerdo con la representación anterior, indique cómo se llaman cada uno
de las sustancias que se involucran en el proceso. Además, escriba si se trata
de un producto, o un reactivo.
A. CO2 __________________________________________________
B. H2O __________________________________________________
C. C6H12O6 _______________________________________________
D. O2 _____________________________________________________
Actividad 3: Complete el siguiente cuadro con la información que le solicita
FASE
CARACTERÍSTICAS
Fase de la fotosíntesis
Fase oscura
Fotofosforilación acíclica
Fotofosforilación acíclica
Fase luminosa