FOTOSÍNTESIS

1. Conceptos

 

a. Fotosíntesis:

 

Fotosíntesis, es la unión entre dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) que da como resultado azúcar (CH2O) y oxígeno (O2) mediante la utilización de energía solar en los organismos de las plantas. La azúcar contiene la energía solar almacenada, útil como materia prima en la formación de otros compuestos.

 

Respiración es la función opuesta a la fotosíntesis, porque la energía almacenada en la azúcar se libera en presencia de oxígeno y, en esta reacción, se desprenden el CO2 y el H2O que originalmente estaban unidos por la energía solar para formar el azúcar.

 

La energía solar en la fotosíntesis, se convierte en energía química y, el carbono se fija en compuestos orgánicos. La vida sobre la Tierra depende de la luz solar. La energía en la luz solar es capturada y aprovechada por los vegetales (organismos fotosintéticos) para formar carbohidratos y oxígeno libre a partir del dióxido de carbono y el agua, en una serie de reacciones bioquímicas complejas.

 

b. Estomas:

 

Estomas son poros presentes en hojas y tallos.  A través de estos poros, las plantas absorben CO2 y liberan O2 durante el proceso de fotosíntesis.

 

Las plantas controlan la apertura de los poros (frecuencia y tamaño de la apertura), mediante células que se expanden y contraen para abrir o cerrar el espacio entre ellas.

 

 

 

c. Ejemplos de Estomas:

 

Alfalfa: Se abren durante el día y se cierran en la noche.

 

Papa: Abiertos casi continuamente, excepto algunas horas durante el crepúsculo vespertino. Se cierran durante el día, únicamente en casos de marchitez.

 

Cebada: Se encuentran semi-abiertos durante el día.

 

Equisetum: Abiertos día y noche, incluso en condiciones de desequilibrio hídrico.

 

Cactáceas: Cerrados durante el día y abiertos en la noche para evitar transpiración.

 

d. Transpiración:

 

El agua se evapora cuando los poros (estomas) en las plantas se encuentran abiertos. Esta acción de apertura permite el ingreso y traslado de agua y nutrientes en mayor cantidad hacia las partes altas de las plantas, pero propicia que la planta pierda agua y se deshidrate cuando los poros se encuentran abiertos.

 

e. Uso eficiente del agua:

 

Es la medida de la eficiencia en la planta para absorber el CO2 que se requiere para realizar la fotosíntesis. La eficiencia radica en absorber CO2 sin perder cantidad significativa de agua a través de los poros (estomas) que se encuentran abiertos para absorber CO2.

 

f. Foto-Respiración:

 

En condiciones de alta luminosidad e intenso calor solar, la enzima RUBISCO absorbe dióxido de carbono (CO2) atmosférico para que la fotosíntesis se realice. Sin embargo, esta enzima puede absorber oxígeno (O2) en lugar de CO2. De esta forma ocurriría respiración (foto-respiración) en lugar de fotosíntesis y, debido a la foto-respiración, la producción de azúcares en la fotosíntesis sería deficiente y lenta.

 

De tal manera, el oxígeno, es un inhibidor de la fotosíntesis y, puede estar presente en alta concentración en las plantas. La elevada concentración de oxígeno en los cloroplastos (sitios donde se encuentra la clorofila en las plantas), puede inducir la foto-respiración que disminuye la eficiencia en la fotosíntesis.

 

g. Enzima RuBisCo

 

RUBISCO, es la forma abreviada con la que se designa a la enzima ribulosa-1,5-difosfato carboxilasa oxigenasa. Esta enzima tiene un doble comportamiento porque cataliza dos procesos opuestos:

 

1.        La fijación del CO₂ a una forma orgánica que justifica su clasificación como carboxilasa.

 

2.        La foto-respiración, en la que actúa como oxigenasa del mismo sustrato. La RUBISCO es la proteína más abundante en la biosfera.

 

La enzima RUBISCO tiene gran facilidad para combinarse con el CO2 y activar la formación de azúcar y, de combinarse con el Oxígeno para proporcionar glicolato ---> luego glicina que termina en ---> serina + CO2 en los cloroplastos. Este proceso se llama foto-respiración y utiliza ATP y NADPH pero libera CO2 en lugar de fijarlo. Esta es la desventaja de la enzima RUBISCO, porque el CO2 es fundamental en la fotosíntesis.

 

 

La  enzima RUBISCO cataliza el primer paso que es el más significativo del Ciclo de Calvin (procesos bioquímicos en estromas de cloroplastos) en la fotosíntesis que, consiste en la fijación del dióxido de carbono a una forma orgánica. En la reacción se unen: a) Una molécula de CO₂ a la cadena hidrocarbonada de la ribulosa-1,5-difosfato. B) Una pentosa (monosacáridos -glúcidos simples- formados por una cadena de cinco átomos de carbono) activada energéticamente por la Fosforilación de los dos carbonos situados en los extremos de la cadena. A través de un estado de transición de seis carbonos, se forman dos moléculas de 3-fosfoglicerato.

 

 

Es decir, no se presentan únicamente en organismos foto-sintetizadores típicos —como cianobacterias, algas eucarióticas y plantas que realizan la fotosíntesis oxigénica, sino también en arqueas y bacterias dotadas de metabolismos foto-sintetizadores o quimio-sintetizadores diversos. La RUBISCO es responsable de la producción primaria desde donde se genera la circulación de energía en la biosfera. La reacción de fijación del carbono es en sí misma ineficiente, y lo es más por la competencia con la función de oxigenasa de la enzima RUBISCO.

 

La RUBISCO cataliza también la fijación de O2 sobre la ribulosa-1,5-difosfato en el proceso llamado foto-respiración que termina liberando CO2 y derrochando energía.

 

La concentración de oxígeno (O2) en la atmósfera es 6000 veces mayor que la de CO2, lo cual favorece la foto-respiración. La enzima RUBISCO, debido a su ineficiencia como catalizadora en la fijación de CO2, se convierte en factor limitante de la fotosíntesis. Se investiga la para modificar genéticamente la enzima RUBISCO, a fin de favorecer la productividad agrícola.

 

h. Ciclo de Calvin

 

El Ciclo de Calvin (también conocido como ciclo de Calvin-Benson o fase de fijación del CO₂ de la fotosíntesis) consiste en una serie de procesos bioquímicos que se realizan en el estroma de los cloroplastos en organismos fotosintéticos (vegetales). Fue descubierto por Melvin Calvin y Andy Benson de la Universidad de California Berkeley mediante el empleo de isótopos radiactivos de carbono. Durante la fase luminosa o fotoquímica de la fotosíntesis, la energía lumínica se almacena en moléculas orgánicas sencillas, pero inestables, que aportarán energía para el proceso (ATP) y reducción nicotin-amida dinucleótido fosfato (NADPH+H⁺) que es la capacidad de transmitir electrones a otra molécula.

 

En general, los compuestos bioquímicos más reducidos, es decir, los que cuentan con mayor cantidad de electrones, almacenan más energía que los compuestos oxidados (con menos electrones) y, son capaces de generar más trabajo (aportar más energía).

 

En el ciclo de Calvin se presenta la integración y conversión de moléculas inorgánicas de dióxido de carbono en moléculas orgánicas sencillas, a partir de las cuales se forman los demás compuestos bioquímicos que forman parte de los seres vivos. En este sentido, la asimilación del carbono es la parte fundamental. De tal manera, la primera enzima que interviene en el ciclo y fija el CO₂ atmosférico uniéndolo a una molécula orgánica (ribulosa-1-5-bisfosfato) se denomina RUBISCO (Ribulosa disfosfato carboxilasa oxigenasa).

Sencillamente podríamos decir que:

 

• El Ciclo de Calvin es el conjunto de reacciones enzimáticas que tienen lugar en las plantas y que, en líneas generales, transforman el dióxido de carbono (CO₂) en sacarosa (azúcar) y almidón (sustancia de reserva).

 

• El ciclo de fijación del carbono o ciclo de Calvin, en reconocimiento a su descubridor, el bioquímico estadounidense Melvin Calvin, tiene lugar en el estroma de los cloroplastos, ubicados en las hojas verdes de las plantas.

 

• El mecanismo de síntesis de los azúcares es catalizado por la enzima ribulosa 1,5-difosfato carboxilasa, que es la proteína más abundante en el cloroplasto.

 

• La enzima ribulosa 1,5-difosfato carboxilasa (en la primera etapa), utiliza el CO₂ para desencadenar la reacción de producción de 3-fosfoglicerato a partir de ribulosa 1,5-difosfato.

 

• Este compuesto (3-fosfoglicerato), mediante una serie de reacciones, se transforma en gliceraldehído 3-fosfato (azúcar). Una parte de este azúcar es utilizada para regenerar más ribulosa 1,5-difosfato; otra parte se convertirá en aminoácidos, grasas y almidón. Pero la parte más importante de gliceraldehído 3-fosfato es transportada desde el cloroplasto hasta el citoplasma de las células donde se integra, como producto intermedio, en el ciclo de la glucosa, proceso durante el cual se transformará en fructosa 6-fosfato y glucosa 6-fosfato. Estos azúcares se unirán más tarde para dar lugar al producto final, un disacárido llamado sacarosa 6-fosfato. De esta manera la planta va almacenando sacarosa en las células de las hojas hasta que, en función de los requerimientos de hidratos de carbono es exportada al resto de la planta a través de los haces vasculares. Algunas plantas en ambientes secos y calurosos han desarrollado una ruta alternativa para compensar la carencia de CO₂ en el mesofilo (parte media de la hoja compuesta de tejido parenquimático).

 

i. Tres Fases en el Ciclo de Calvin:

 

1. Fase de fijación del CO₂: la RubisCO cataliza la reacción entre la pentosa ribulos bisfosfato (azúcar de 5C, RuBP) y el CO₂ para crear 1 molécula de 6 carbonos que por ser inestable se separa en 2 moléculas que contienen 3 átomos de carbono (PGA - Fosfoglicerato). La importancia de la RuBisCo queda indicada por el hecho de ser la proteína más abundante en la naturaleza.

 

2. Fase de reducción: primero ocurre un proceso de activación en el cual una molécula de ATP (transportadora de energía) proveniente de la fase fotoquímica, es usada para la fosforilización del PGA, transformándolo en difosfoglicerato. Esa transferencia de un enlace fosfato permite que una molécula de NADPH+H⁺ reduzca el PGA, mediante la acción de la enzima gliceraldehido -3-fosfato-deshidrogenasa, para formar gliceraldehído-3-fosfato (PGAL). Esta última molécula es una triosa-fosfato, es decir un azúcar de tipo aldosa con 3 carbonos (3C), molécula estable con mayor energía libre (capaz de realizar mayor trabajo) que las anteriores. Parte de PGAL se transforma en su isómero dihidroxiacetona fosfato (cetosa de 3C). Estas dos triosas-fosfato serán la base a partir de la cual se forman el resto de azúcares como la fructosa y glucosa, oligosacáridos como la sacarosa o azúcar de caña, y polisacáridos como la celulosa o el almidón. También, a partir de estos azúcares se forman, directa o indirectamente las cadenas de carbono que componen el resto de moléculas que constituyen los seres vivos (lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y otros).

 

3. Fase de regeneración: el ciclo continúa a lo largo de una serie de reacciones hasta formar ribulosa-fosfato que, mediante el consumo de otra molécula de ATP regenera la ribulosa bisfosfato (RuBP) original, dejándola disponible para que el ciclo se repita nuevamente.

 

Por tanto, en cada repetición del ciclo se incorpora una molécula de carbono fijado (CO₂) a otra molécula preexistente de 5 átomos de carbono (ribulosa bisfosfato). El resultado final es la regeneración de la molécula de 5 átomos de carbono y la incorporación de un nuevo carbono en forma orgánica C(H₂O). Es importante indicar que, el producto fundamental en el ciclo de Calvin es el gliceraldehido-3-fosfato (3 átomos de carbono), molécula base para la síntesis del resto de los carbohidratos. Tras 3 vueltas del ciclo, una nueva molécula de PGAL sale del ciclo y puede ser utilizada para la formación de otras moléculas.

 

j. Fotosíntesis C4 y CAM

 

Durante años se pensó que el ciclo de Calvin era independiente de la luz. Hoy se conoce perfectamente que, tanto la actividad de la RUBISCO como de otras enzimas clave en el ciclo, es regulada por la luz, desactivándose en condiciones de oscuridad y reactivándose en condiciones de iluminación y agua en la planta. La luz, siempre cuando no sea luz verde, es absorbida por los pigmentos en los tilacoides de los cloroplastos. La energía de la luz excita los electrones que viajan hacia las moléculas de agua y las separan para crear cuatro moléculas de hidrógeno con carga positiva y una molécula de oxígeno por cada dos moléculas de agua separadas. El oxígeno es un producto de la fotosíntesis y emerge a través de los estomas.

 

Cuando la enzima Rubisco reacciona con O₂ en vez de CO₂. La reacción provoca una disminución del porcentaje de carbono fijado y está asociada al fenómeno denominado foto-respiración. Estos procesos son más graves a temperaturas relativamente altas, disminuyendo la tasa de fotosíntesis que es la medida de la capacidad en la planta para asimilar CO₂. Por esta razón, las plantas adaptadas a climas cálidos han desarrollado una estrategia para optimizar la capacidad de asimilación de dióxido de carbono (plantas C-4 y plantas CAM). Las plantas C4 (cuatro carbonos) usan inicialmente la enzima PEP carboxilasa (fosfoenolpiruvato carboxilasa) que convierte el fosfoenolpiruvato (compuesto de 3 Carbonos, 3C) en oxalacetato (compuesto de 4 Carbonos, 4C) a partir del bicarbonato que se forma por reacción del CO₂ con el agua y, facilitado por la presencia de la enzima anhidrasa carbónica que cataliza esta reacción. La PEP carboxilasa tiene una afinidad mayor con el bicarbonato que la enzima RubisCO con el CO₂. El nombre de la fotosíntesis tipo C4 proviene precisamente de que el primer compuesto orgánico formado (oxalacetato) tiene 4 átomos de carbono (4C).

 

 

A partir de oxalacetato se produce malato que es un compuesto más reducido, es decir, con más electrones. Esto conlleva una pérdida del poder reductor acumulado en la fotosíntesis. El malato formado desprende el carbono fijado en las inmediaciones de la RubisCO, aumentando la concentración de dióxido de carbono respecto al oxígeno en el entorno de esta enzima RubisCO.

 

A partir de aquí el proceso es similar al de las plantas C3 (3 carbonos), en las que el primer producto de la asimilación de CO₂ es el PGA de 3 átomos de carbono. De esta forma se consigue evitar la actividad oxigenasa de la Rubisco. La formación de malato y su descomposición ocurre en células diferentes, cada una de ellas provistas de cloroplastos especializados en llevar a cabo cada una de las dos funciones (C3 y C4).

 

Otro tipo de adaptación es el de las plantas con fotosíntesis CAM (de las siglas en inglés "Crassulacean acid metabolism", metabolismo de plantas crasulaceas) frecuente en plantas xerófitas (adaptadas a ambientes áridos) que les permite mantener cerrados los estomas evitando la pérdida de agua.

  

 

2. Fases en la Fotosíntesis 

• En la Fase Clara de la fotosíntesis, la transferencia de electrones se realiza en los Tilacoides de los Cloroplastos.

 

• En la Fase Oscura de la fotosíntesis, la transferencia de electrones se realiza en los Estromas de los Cloroplastos.

 

 

a. Fase Clara (Luminosa) -Reacciones propiciadas por la luz solar:

 

La fase luminosa, fase clara, fase fotoquímica o reacción de Hill, es la etapa primaria en la fotosíntesis que convierte la energía solar en energía química. La luz solar es absorbida por clorofilas y proteínas que se agrupan en unidades llamadas foto-sistemas, ubicados en los tilacoides (membranas internas de los cloroplastos). Se denomina fase luminosa o clara, ya que al utilizar la energía lumínica, sólo puede llevarse a cabo en condiciones de alta luminosidad, ya sea natural o artificial.

 

El Fotosistema I (PSI) y el fotosistema II (PSII) se encargan de captar la luz solar y de emplear su energía para impulsar el transporte de electrones a través de una cadena de receptores. Los fotosistemas atrapan fotones de la luz para elevar los electrones a niveles más altos de energía fundamental. Esta energía se traslada por resonancia entre diferentes moléculas de clorofila, hasta el punto en el cual, en el centro del fotosistema II, se produce la fotólisis que transforma el agua en Un Oxígeno, Dos Protones (H⁺) y Dos Electrones. El oxígeno se une con el sobrante de oxígeno en otra molécula de agua, para crear oxígeno atmosférico (O₂). Los protones son transportados al interior del tilacoide en los cloroplastos para contribuir a crear un gradiente electroquímico que será utilizado por la ATPasa. Los electrones reponen la carencia electrónica en la clorofila original.

 

Existen dos compuestos de proteínas que no están unidos a clorofilas en las membranas de los tilacoides:

 

1.        Compuesto del citocromo b6/f

 

2.        Compuesto de la ATP-sintetasa o ATPasa.

 

El citocromo b6/f es un intermediario en el transporte de electrones entre el fotosistema II y el fotosistema I, capaz de crear un gradiente de energía química que será empleado por el complejo ATP sintasa para generar ATP en un proceso llamado fotofosforilación. La función del fotosistema I está asociada a la descomposición (fotolisis) de las moléculas de agua (H₂O) en 2 protones (H ⁺) y O₂.

 

Los dos electrones que proceden de los átomos de hidrógeno de la molécula de agua son captados por el llamado centro de reacción del fotosistema II (P680), elevados a un nivel energético superior por la energía que proporciona la luz, captada por el fotosistema II y una serie de proteínas asociadas a clorofilas y otros pigmentos fotosintéticos (carotenoides) llamadas complejos antena.

 

Desde el nivel energético más alto el electrón puede ir "descendiendo" (como el agua almacenada en una presa) hacia estados energéticos más bajos a través de una cadena transportadora de electrones en la que participan una molécula denominada plastoquinona, el complejo del citocromo b6/f y una proteína denominada plastocianina.

 

Durante este camino parte de la energía del electrón es destinada (por mediación del citocromo b6/F) a crear un gradiente de energía a través de las membranas de los tilacoides que será empleado para la síntesis de ATP por la ATP sintetasa. El proceso nuevo, tiene analogía con la producción de electricidad durante el paso del agua almacenada en una presa a través de las turbinas. La plastocianina transporta los electrones hasta el fotosistema I, que también posee un centro de reacción (P700) y un complejo antena asociado para la captación de luz. Los electrones que llegan a PSI son de nuevo impulsados por la energía de la luz a un nivel energético superior y también transportados a través de una nueva cadena de aceptores hasta llegar a una molécula final aceptora, el NADP⁺. Esta molécula, que capta finalmente los electrones será empleada, junto al ATP producido, en la fase posterior de la fotosíntesis ciclo de Calvin para convertir el dióxido de carbono atmosférico (o disuelto en el agua en medios acuáticos) en materia orgánica.

La planta aprovecha la luz solar para producir:

 
- Moléculas ATP (transferencia de energía).

 - Co-enzimas NADPH (portadoras de energía) que se utilizan en la fase oscura.

 

 

 b. Fase Luminosa Acíclica

 

El proceso se inicia con la llegada de fotones de luz al fotosistema II, lo que provoca la excitación del pigmento diana que recordemos era la clorofila P680. Dicha excitación tiene lugar con la captación de los electrones procedentes de la fotólisis del agua y el que la molécula de clorofila ceda o capte electrones está en función de su potencial redox.

 

 

Para explicarlo de forma simple, diremos que cuanto más negativo sea el potencial de la molécula de clorofila mayor será su capacidad donadora, mientras que cuanto más positivo, mayor será su capacidad aceptora. Traducido al proceso que estábamos viendo antes, la clorofila P680 pasa de un potencial redox positivo a uno negativo, lo que la convierte en una molécula excitada capaz de ceder los electrones que ha recibido del agua. Cuando un pigmento está excitado, se le coloca un asterisco, de modo que ahora estamos ante una clorofila P680.

 

La clorofila P680 cederá los electrones a la feofitina que es el aceptor primario y después los pasa a una molécula llamada plastoquinona que gracias al ciclo de oxidación-reducción que sufre dicha molécula se irán incorporando protones al interior del tilacoide que como veremos más adelante serán de suma importancia para la síntesis de ATP.

 

Una vez los protones han atravesado la membrana, la plastoquinona los cede al complejo del citocromo b6f que servirá de paso de los electrones hacia la plastocianina que es el donador primario de electrones del fotosistema I.

 

Hasta aquí vemos como cada vez el potencial redox se va haciendo más positivo, puesto que venimos de una excitación inicial que lo volvió muy negativo y no se ha producido otra hasta el momento. Con la llegada al fotosistema I, tenemos una nueva excitación que hará el potencial redox todavía más negativo que en el primer caso. Ahora, la molécula de clorofila implicada es diferente, se trata de la clorofila P700 que como dijimos en el caso anterior pasará a un estado excitado llamado clorofila P700.

 

Los electrones captados por la clorofila P700* serán cedidos al aceptor A0 y éste a su vez los cederá a una molécula llamada ferrodoxina que por medio de una reacción enzimática (reductasa) sintetizará NADPH + H+ (molécula energética).

 

Durante la fase luminosa acíclica tiene lugar la síntesis tanto de ATP como de NADPH+H+. Ahora bien, la cantidad de ATP sintetizada es escasa e insuficiente para la fase biosintética, dado que se necesitan 3 ATP por cada 2 NADPH y hemos acabado la fase con una relación de 1.33 ATP por cada molécula de agua.

 

c. Fase Luminosa Cíclica

 

La fase luminosa cíclica es importante para sintetizar el ATP suficiente para que tenga lugar la fase biosintética dado que como vimos en la fase anterior la cantidad era escasa.

 

Aquí sólo interviene el fotosistema I y por tanto:

 

1. No hay fotólisis del agua
2. No se forma NADPH + H+
3. No se desprende O2

 

El proceso es similar al acíclico, pero sin la participación del fotosistema II. Los fotones de luz inciden sobre la clorofila P700 y pasa al estado excitado de clorofila P700* liberando los electrones capturados a la ferredoxina y ésta, en lugar de utilizarlos para sintetizar NADPH + H+, los cede a la plastoquinona que como vimos servía para aumentar la concentración de protones en el interior del tilacoide. Los electrones de la plastoquinona son cedidos nuevamente al fotosistema I para que vuelva a repetirse el ciclo porque recordemos que no tenemos electrones de la fotólisis del agua.

 

La realización repetida de este ciclo aumenta mucho la concentración de protones que como ya sabéis del inicio de nuestro artículo, son utilizados por las ATP-sintetasas para sintetizar ATP y así se soluciona el déficit energético que teníamos para iniciar la fase biosintética.

 

d. Fase Oscura- Ciclo de Calvin Benson:

 

La transferencia de electrones se realiza en los Estromas de los Cloroplastos.

 

En la fase oscura, se utiliza la energía química obtenida en la fase clara (luminosa) para reducir CO2, Nitratos y Sulfatos y asimilar los bioelementos C, H, y S, con el fin de sintetizar glúcidos, aminoácidos y otras sustancias.

 

Las plantas obtienen el CO2 del aire a través de los estomas en sus hojas. El proceso de reducción del carbono es cíclico y se conoce como Ciclo de Calvin, en honor de su descubridor M. Calvin.

 

La fase oscura en la fotosíntesis es el proceso independiente de la luz solar donde los productos de la fase clara, conjuntamente con el CO2 atmosférico, son utilizados durante la noche para formar los enlaces de los carbohidratos.

 

Es decir, las reacciones de la fase oscura acontecen en la noche por razón de la presencia y almacenamiento de los transportadores de energía provenientes de la fase clara en la fotosíntesis y la absorción de CO2 durante la noche. La fase clara ocurre en la grana, y la oscura en el estroma de los cloroplastos.

 

Evidencias recientes sugieren que la enzima más importante de la fase oscura (PEP fosfoenol pirúvico -Carboxilasa) es estimulada indirectamente por la luz solar del día, de ser así, el termino "fase oscura" no sería preciso. La captura del CO2 en la fase oscura, comienza en la reacción del CO2 con el ácido fosfoenol pirúvico (PEP), catalizada por la enzima PEP-carboxilasa.

 

3. Foto-Sistemas

 

Los foto-sistemas son conjuntos de moléculas de clorofila y pigmentos que se encuentran en los tilacoides, ubicados al interior de los cloroplastos.

 

En el centro del foto-sistema se encuentra la clorofila que absorbe luz solar para activarse. La energía contenida en la clorofila activada se utiliza para hacer funcionar los procesos químicos en los que se basa gran parte de la vida.

 

Existen dos tipos de foto-sistemas:

 

• Foto-sistema I: utiliza un tipo de clorofila denominado P700. Absorbe la longitud de onda de 700nm (nm = nanómetros – nanómetro = millonésima parte de un metro).

 

• Foto-sistema II: utiliza un tipo de clorofila denominado P680. Capta la energía luminosa de longitud de onda igual o menor a 680nm (foto-sistema II).

 

La longitud de onda describe cuán larga es la onda. La distancia existente entre dos crestas o valles consecutivos es lo que llamamos longitud de onda. Las ondas de agua en el océano, las ondas de aire, y las ondas de radiación electromagnética tienen longitud de onda.

 

La longitud de ondas de sonido que los seres humanos pueden escuchar, oscilan entre menos de 2 cm. y 17 m. Las ondas de radiación electromagnética que forman la luz visible tienen longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros (luz morada) y 700 nanómetros (luz roja).

En el sistema internacional, la unidad de medida de la longitud de onda es el metro, al igual que cualquier otra distancia. Dado los órdenes de magnitud de este parámetro, por comodidad se suele recurrir a submúltiplos como el milímetro (mm), el micrómetro (μm) y el nanómetro (nm).

 

Ambos tipos de  clorofila (P700 y P680) forman parte en la fotosíntesis debido a su relación con las proteínas en la membrana tilacoide de los cloroplastos.

 

a. Foto-Sistema I

 

En el foto-sistema I, la luz solar actúa sobre la molécula de clorofila P700 y produce un electrón con mayor potencial de energía. Este electrón es aceptado por un receptor primario distinto al asociado en el foto-sistema II. Este electrón en el foto-sistema I, pasa nuevamente por una serie de reacciones REDOX para combinarse finalmente con NADP⁺ e hidrógeno (H⁺ à NADPH). Se requiere un portador de hidrógeno (H) en la fase oscura para formar NADPH.

 

La cadena transportadora de electrones está constituida por un complejo proteico en el cual se encuentran los citocromos, concretamente el complejo citocromo b6f. Su función exclusiva es el transporte de electrones y se encuentra ubicado también en la membrana como sucedía con los foto-sistemas. Por si alguien todavía no se ha dado cuenta de cuál es el origen de los electrones, no tiene más que mirar la reacción de la hidrólisis del agua para percatarse que es ella la donante de éstos.

 

El citocromo es una proteína de color oscuro que desempeña una función vital en el transporte de energía química en todas las células vivas.

 

Las células animales obtienen energía de los alimentos (que captaron energía solar) mediante un proceso llamado respiración; las plantas obtienen energía directamente de la luz solar mediante la fotosíntesis. Los citocromos intervienen en los dos procesos (respiración y fotosíntesis). Tienen un anillo nitrogenado llamado porfirina que encierra un átomo metálico (p. ej. hierro ó cobre). El átomo metálico da al citocromo color oscuro. Hay tres grandes tipos de citocromos llamados a, b y c.

 

Citocromo a, contiene cobre.

Citocromos b y c, contienen hierro.

 

Los citocromos están incorporados en la membrana celular de las bacterias y en las membranas internas de las mitocondrias (orgánulos presentes en las células animales y vegetales) y de los cloroplastos (sólo en células vegetales). Durante la respiración y la fotosíntesis, las moléculas de citocromo aceptan y liberan alternativamente un electrón que transfieren a otro citocromo en una cadena de reacciones químicas llamada transferencia de electrones que libera energía. Esta energía se almacena en forma de adenosín trifosfato (ATP). Cuando la célula necesita energía, la toma de sus reservas de ATP.

 

Las reacciones de Reducción-Oxidación (REDOX) son de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un conjunto de especies químicas, una forma reducida y una oxidada respectivamente. Para que exista una reacción REDOX, en el sistema debe haber una especie que ceda electrones y otra especie que las acepte.

 

El reductor es la especie química que tiende a ceder electrones de su estructura química al medio, quedando con una carga positiva mayor a la que tenía.

 

El oxidante es la especie que tiende a captar esos electrones, quedando con carga positiva menor a la que tenía.

 

Cuando una especie química reductora cede electrones al medio se convierte en una especie oxidada y, la relación que guarda con su precursor queda establecida mediante lo que se llama un par REDOX. Análogamente, se dice que cuando una especie capta electrones del medio se convierte en una especie reducida, y forma un par REDOX con su precursor reducido.

 

b. Foto-Sistema II

 

El foto-sistema II (FSII), está asociado a moléculas de clorofila P680 que absorben a 680 nm. El electrón en el foto-sistema II reemplaza al electrón excitado en la molécula de clorofila P700 del foto-sistema I. De este modo se presenta un flujo continuo, pero No Cíclico de electrones desde el agua hacia NADPH, el cual es utilizado para la fijación del carbono. El flujo Cíclico de electrones se presenta en algunos eucariotas y bacterias fotosintéticas sin producir NADPH, solo ATP. Esto también ocurre cuando la célula requiere ATP adicional, o cuando no hay NADPH⁺ para reducirlo a NADPH.

En el foto-sistema II, el traslado de iones H hacia el interior de los tilacoides, desde el estroma del cloroplasto, y la conversión de ADP + P en ATP es realizado mediante un gradiente de electrones establecido en la membrana tilacoidea. El primer producto estable del ciclo es el ácido 3- fosfoglicérico (PGA), molécula de tres carbonos (C3).

 

Globalmente 6 moléculas de la enzima RuBP (ribulosa bifosfato) se combinan con 6 moléculas de anhídrido carbónico para obtener 12 moléculas de 3-fosfoglicérico. La enzima RUBISCO es posiblemente la proteína más abundante en el mundo, localizada en la superficie de las membranas tilacoideas.

 

La energía del ATP y NADPH que fue generada en ambos foto-sistemas, se utiliza para adherir fosfatos (fosforilar) al 3-PGA y reducirlo a fosfogliceraldehido o PGAL de tres carbonos también. Del total de 12 moléculas transformadas, dos moléculas de 3-PGAL salen del ciclo para convertirse en glucosa. Las moléculas restantes de PGAL son convertidas por medio del ATP en 6 moléculas de RuBP (5 carbonos), que recomienzan el ciclo.  Recuerde la complejidad de los seres vivos, al igual que en el ciclo de Krebs cada reacción es catalizada por una enzima específica.

 

c. Foto-Sistemas I y II

 

Procariotas:

 

Gran número de Procariotas poseen únicamente foto-sistema II que fue descubierto posteriormente al foto-sistema I. Son Procariotas (del griego πρό, pro = antes de y κάρυον, karion = núcleo) las células sin núcleo celular diferenciado. Es decir, cuyo ADN no se encuentra confinado dentro de un compartimiento limitado por membranas, sino libremente en el citoplasma.

 

Eucariotas:

 

Son células que tienen un núcleo. Las Eucariotas utilizan ambos foto-sistemas (I y II).

 

Las formas de vida más conocidas y complejas, son eucariotas, forman el dominio Eukarya. Casi sin excepción los organismos basados en células procariotas son unicelulares. El término procariota hace referencia a los organismos del dominio Prokaryota, cuyo concepto coincide con el reino Monera de las clasificaciones de Copeland o Whittaker que, aunque obsoletas, son aún muy populares. Se reparten entre los dominios Bacteria y Archaea.

Algunas de las diferencias entre células procariotas y eucariotas son:

 

• ADN principal desnudo(sin un denso acompañamiento de proteínas) y lo más a menudo en forma de una sola hebra circular; división celular por fisión binaria sin un mecanismo complejo de reparto comparable a la mitosis de los eucariotas.

 

• Carencia de orgánulos membranosos en el citoplasma, que forma un solo compartimento.

 

• Existencia, salvo en algunos parásitos endocelulares, de un segundo compartimiento acuoso rodeando el citoplasma, el periplasma, limitado internamente por la membrana plasmática y externamente por una segunda membrana o una pared densa.

 

• El citoplasma no contiene objetos reconocibles, salvo granos de reserva, de composición variada, y agregados moleculares, visibles sólo con las mayores ampliaciones del microscopio electrónico, como ribosomas o carboxisomas.

 

• Suelen portar pared celular, cuya composición no tiene nada que ver con la de los grupos eucarióticos que la tienen.

 

• Se alimentan universalmente por absorción, son osmótrofos, sin tener en general la capacidad de ingerir o internalizar partículas u otras células (endocitosis).

 

d. Foto-Fosforilación:

 

Foto-fosforilación es el proceso por el cual la energía del electrón excitado por la luz solar, se convierte en enlace pirofosfato de una molécula ADP en presencia de clorofila P680. La transferencia de energía es similar al transporte químico-osmótico de electrones que se presenta en la mitocondria (cloroplasto). La energía de la luz solar elimina un electrón de una molécula de clorofila P680 que es parte del foto-sistema II. Este electrón se transfiere a una molécula receptora primaria y, posteriormente, se traslada al foto-sistema I a través de una cadena transportadora de electrones.

 4. Vía de 4 Carbonos

Algunas plantas han desarrollado un ciclo previo para evitar la foto-respiración, donde la fijación del CO2 comienza en el fosfoenolpiruvato (PEP), molécula de tres carbonos (3C), que se convierte en oxalacético de cuatro carbonos (C4). El oxálico es convertido en ácido málico (C4). Esto ocurre en las células del parénquima clorofiliano del  mesófilo. Posteriormente, el ácido málico pasa a las células de la vaina fascicular donde se desdobla nuevamente en PEP y anhídrido carbónico que ingresa en el ciclo de Calvin (etapa oscura), mientras que el PEP vuelve a las células del mesófilo. La glucosa formada puede ser transportada rápidamente al resto de la planta.

 

La captura del anhídrido carbónico por el PEP es mediada por la enzima PEP carboxilasa, que tiene mayor afinidad por el anhídrido carbónico que la RuBP carboxilasa. Cuando los niveles de anhídrido carbónico bajan, la RuBP carboxilasa usa oxígeno en vez de anhídrido carbónico, y el resultado es ácido glicólico. Este producto se metaboliza en los peroxisomas (en presencia de luz y oxígeno) y este proceso se conoce como fotorrespiración. No produce ATP ni NADPH, es a todas vista un desmantelamiento del ciclo de Calvin lo cual reduce la eficiencia de la captura de anhídrido carbónico.

 

Las plantas que usan la vía de 4 carbonos, a menudo crecen muy juntas, y deben ajustarse a la disminución de anhídrido carbónico que este hecho implica. Lo hacen aumentando la concentración de anhídrido carbónico en ciertas células para prevenir la fotorrespiración. Las plantas que usan la vía de los cuatro carbonos (por ejemplo caña de azúcar y maíz) evolucionaron en los trópicos y están adaptadas a mayores temperaturas. Note que el oxalacetato y el málico tienen funciones en otros procesos, por lo tanto están presentes en todas las plantas, permitiendo a los científicos hipotizar que la vía de los cuatro carbonos evolucionó independientemente muchas veces, en un mecanismo denominado evolución convergente.  

 

a. Protección de las Plantas contra el sol 

 

El proceso fotosintético presenta mayor eficiencia con niveles promedio de luz solar. Es decir, a pleno sol, con muy alta luminosidad, particularmente al mediodía, las plantas absorben mucho más energía de la que pueden usar. En estas circunstancias, cuando las plantas no encuentran forma para dispersar de forma segura la energía excedente, entonces el clorofila pasa a un estado de sobreexcitación, desde el cual su energía puede transferirse al oxígeno dando como resultado "oxígeno singulet", un potente oxidante que puede causar daño a la planta, incluso su muerte. Entre los mecanismos antioxidantes para protección de las plantas se encuentran:

 
Los carotenoides que son capaces de detoxificar a la planta del "oxígeno singulet" capturando su energía y disipándola en forma de calor.

 
La atenuación no fotoquímica de la energía solar, proceso en el cual interviene una proteína que se encuentra asociada al fotosistema II conocida por las siglas PsbS.

 

b. Fotosíntesis C3, C4 y CAM

 

Fotosíntesis C3:

 

C3 es la fotosíntesis típica realizada por la mayoría de las plantas. Es la fotosíntesis que enseñan en escuelas. Alrededor del 85% de las plantas superiores son del tipo C3. Estudios indican que las plantas C3 son las más primitivas, porque no tienen cualidades especiales para resistir sequías. Las plantas de papa son C3. Esto explica la necesidad de agua y ambiente húmedo para que estas plantas expresen un máximo potencial.

 

Los estomas en las plantas de papa se encuentran abiertos generalmente, excepto durante algunas horas durante el crepúsculo vespertino. En caso de marchitez los estomas se cierran durante el día para evitar la pérdida de agua. Los estomas abiertos continuamente, revelan en parte, los descensos en la producción cuando el cultivo es sometido a estrés hídrico, ya que estas plantas no tienen posibilidad para activar mecanismos de cierre de estomas que permita reducir la pérdida de agua. Este tipo de estomas, se encuentran también en los ajos, cebollas, puerros, repollos y curcubitáceas. Adicionalmente, las plantas C3 son menos eficientes en cuanto a la fijación de CO2, lo cual repercute en la producción de materia seca.

 

Fotosíntesis C4:

 

La fotosíntesis C4 es una adaptación en las plantas que habitan en climas cálidos y áridos. La foto-respiración en plantas C4 es mínima, comparada con la de plantas C3. Las plantas C4 fijan inicialmente el CO2 en las células mesófilas formando compuestos de 4 carbonos. Posteriormente liberan el CO2 en las células de la vaina del haz vascular. De tal manera, se presenta requerimiento adicional de ATP por cada unidad de dióxido de carbono utilizado por esta ruta.

 

Un método simple para identificar plantas C4 consiste en examinar la estructura celular en las hojas. Las plantas C4 han desarrollado la anatomía “Krantz” de células envainadas del clorenquima en lugar de capas normales en palizada que presentan las plantas con fotosíntesis C3. Esto es para reducir la transpiración y mejorar el aislamiento de las células internas húmedas, fuera de la atmósfera caliente.

 

En las plantas con fotosíntesis C4, el CO2 atrapado durante la noche provoca una reacción de carboxilasa en la planta. De este modo, el CO2 es convertido en ácidos orgánicos (málico y oxaloacético con cuatro carbonos que no figuran en el ciclo Calvin). Durante el día, cuando los estomas están cerrados, el CO2 es transferido a la ruta normal C3 para ser utilizado en otras partes de la planta.

 

La captura del CO2 en las plantas C4, comienza en la reacción del CO2 con el ácido fosfoenol pirúvico (PEP), catalizada por la enzima PEP-carboxilasa , con la formación de ácido oxalacético (OAA). El OAA se convierte a ácidos málico o aspártico (C4), que luego son transportados desde las células del mesófilo, hacia las células de la vaina amilífera. En las células de la vaina, el ácido málico (C4) es descarboxilado, produciéndose CO2 y ácido pirúvico (C3). Luego el CO₂ entra al Ciclo de Calvin y el ácido pirúvico se convierte en PEP que retorna a las células del mesófilo. Los azucares formados durante este proceso, se transportan por las nervaduras en los conductos del floema a toda la planta.

 

Fotosíntesis CAM:

 

Las plantas CAM deben su nombre a la abreviatura de Crassulacean acid metabolism, que significa Metabolismo ácido de las crasuláceas. Éstas se caracterizan por presentar carboxilaciones separadas en el tiempo, es decir absorben el CO₂ durante la noche y realizan fotosíntesis durante el día.

Las plantas C₄ tienen modificado el mesófilo de las hojas y la incorporación del CO₂ en moléculas intermedias de cuatro carbonos (de ahí viene su nombre) como el malato y el aspartato, a fin de evitar la fotorespiración a baja tensiones de CO₂ (menos de 50 ppm) y reducen la pérdida de vapor de agua por vía estomática (Achá & Fontúrbel 2000). 

 En las plantas CAM, esta adaptación fisiológica–morfológica va más allá que la de las plantas C₄ puesto que se evita la evapotranspiración de gran manera manteniendo los estomas cerrados durante el día. Las plantas CAM más típicas son las crasuláceas, agaváceas, bromeliáceas y las cactáceas muchas orquídeas también se ajustan a este metabolismo fotosintético. La fotosíntesis CAM usualmente se presenta en plantas adaptadas a condiciones de temperatura y sequedad extremas, como por ejemplo un desierto.

Las plantas CAM fijan el CO₂ en forma de malato solamente, durante la noche cuando la temperatura desciende y por lo tanto la pérdida de agua por evapotranspiración es mínima. El malato se almacena en tejido parenquimático de almacenamiento, con grandes vacuolas. Es por esta constitución anatómica que