Unidad 9: Fotosíntesis

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1 1 La fotosíntesis comenzó hace 3000 millones de años. Las primeras células capaces de utilizar la energía solar para transformar materia inorgánica en orgánica desarrollaron en la Tierra hace unos 3000 millones de años. El proceso de denomina fotosíntesis y libera oxígeno como producto. Este elemento se fue acumulando en la atmósfera y posibilitó el desarrollo de individuos que consumen oxígeno en el proceso de respiración aeróbica. En la actualidad, los organismos del reino vegetal elaboran, para su nutrición, sustancias orgánicas propias que obtienen a partir de moléculas inorgánicas sencillas. Así, obtienen glucosa, partiendo de agua y dióxido de carbono, utilizando la luz solar. Ecuación general de la fotosíntesis

2 2 La fotosíntesis ocurre en vegetales, algas y cierto tipo de bacterias. Los organismos procariontes autótrofos realizan el proceso fotosintético en una serie de pliegues de la membrana o laminillas. Analizaremos la fotosíntesis de los vegetales, haciendo énfasis en las plantas terrestres, en las cuales el fenómeno transcurre dentro de los cloroplastos que, en su mayor parte, se localizan en las células de las hojas La fotosíntesis es una vía anabólica en la que el C0 2 y el H 2 O se unen para formar C 6 H 12 O 6. Este es un proceso de oxido-reducción o redox, al igual que lo es la respiración celular. Cuando las moléculas de agua se parten y liberan al 0 2, son oxidadas, esto es, pierden electrones junto con iones hidrógeno (H+). Mientras tanto, el CO se reduce a hidrato de carbono a medida que los electrones e iones H+ se le adicionan.

3 3 La energía lumínica necesaria para excitar los pigmentos presentes en la membrana de los tilacoides, es luz blanca (luz visible). La luz visible es una pequeña parte del espectro electromagnético, que va desde los rayos gamma a las ondas de radio. Las longitudes de onda visibles corresponden a los colores del arco iris, entre los 400 nanómetros (magenta) y los 750 nanómetros (rojo). Etapa fotoquímica: conversión de energía lumínica en química Las reacciones que dependen de la luz, convierten la energía de la luz solar en energía química contenida en dos tipos de moléculas transportadoras: una transportadora de energía, el ATP, y otra, transportadora de electrones, el di nucleótido NADPH. Las reacciones luminosas ocurren en conjuntos de moléculas llamados fotosistemas. En las membranas de los tilacoides, la clorofila, las moléculas de pigmentos accesorios y las moléculas transportadoras de electrones forman complejos muy especializados, llamados fotosistemas. Cada tilacoide contiene cientos de copias de dos clases diferentes de fotosistemas, llamados fotosistema I y fotosistema II, que constan de dos partes principales, un complejo de producción de luz y un sistema de transporte de electrones. El Fotosistema I contiene clorofila del tipo A P 700 y el Fotosistema II contiene clorofila A P 680. Ambas variantes de clorofila cumplen funciones muy similares.

4 4 La secuencia de reacciones de la etapa lumínica es la siguiente: 1: La luz se absorbe a través del complejo del fotosistema II, y la energía pasa a la molécula de clorofila A P680. 2: Esta energía libera electrones de la molécula de clorofila. 3: Los electrones pasan al sistema de transporte de electrones adyacente. 4: El sistema de transporte pasa los electrones a través del mismo, y parte de la energía que éstos producen con su movimiento se utiliza para bombear H+ hacia el interior del tilacoide. El gradiente de H+ posibilita la síntesis de ATP 5: La luz golpea el fotosistema I. 6: Esto provoca la liberación de electrones por parte de la clorofila A P700. 7: Esos electrones son captados por el sistema de transporte de electrones del fotosistema I. Los electrones liberados a partir de la clorofila A P700 del fotosistema I son reemplazados por aquellos que provienen del sistema de transporte del fotosistema II. 8: Los electrones energéticos del fotosistema I son captados en moléculas de NADP+ 9: Los electrones cedidos por la clorofila A P680 del fotosistema II son reemplazados por electrones obtenidos a partir de la ruptura de moléculas de agua. Esta reacción también libera oxígeno. La producción de ATP durante la etapa lumínica se realiza por un proceso conocido como quimiosmosis: el primer aceptor de electrones del sistema de transporte de electrones, acepta este electrón energizado. Los electrones se mueven de un transportador a otro y liberan energía durante el proceso. Algo de esta energía se utiliza para producir un gradiente de iones hidrógeno dentro del tilacoide. Este gradiente produce la síntesis de ATP.

5 5 Etapa bioquímica : la síntesis de glucosa El ATP y el NADPH sintetizados durante las reacciones de la etapa fotoquímica se disuelven en el estroma. Ahí, proporcionan energía que posibilita la síntesis de glucosa a partir de dióxido de carbono y agua. La serie de reacciones que finalmente producen glucosa, recibe el nombre de Ciclo de Calvin. Pueden ocurrir en forma independiente de la luz, siempre y cuando el ATP y el NADPH estén disponibles.

6 6 El ciclo comienza cuando tres moléculas de CO2 provenientes de la atmósfera se unen a 3 de ribulosa-difosfato (Ru-di-P) presentes en el estroma. Se forman, entonces, 6 moléculas del ácido orgánico de 3 carbonos 3-fosfoglicérico (3-PGA). Luego, se reducen 6 moléculas de 3-PGA, ganando los H+ de 6 NADPH y gastando energía de 6 ATP. Como consecuencia, se forman 6 moléculas de fosfo-gliceraldehído (PGAL). Cinco de ellas permanecerán en el Ciclo, y la restante sale, para producir luego glucosa. Luego, mediante reacciones que consumen la energía de 3 ATP, se reacomodan los átomos de las cinco moléculas de 3-PGAL para volver a obtener 3 moléculas de Ru-di-P y reiniciar el Ciclo. Se necesitan dos moléculas de PGAL para formar una de glucosa. Relación entre las etapas lumínica y bioquímica Las reacciones dependientes e independientes de luz están coordinadas. Los sucesos de la etapa fotoquímica en los tilacoides utilizan energía luminosa para "cargar" las moléculas las transportadoras de energía ADP y NADP+ para formar ATP y NADPH. En el estroma, la energía, los electrones y los H+ de estos intermediarios se utilizan para sintetizar glucosa mediante las reacciones del Ciclo de Calvin. Los transportadores NADP+ y ADP, obtenidos durante la etapa bioquímica vuelven después a las reacciones lumínicas para restituirse en ATP y NADPH.

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