FOTOSÍNTESIS Fotosíntesis es el proceso por medio del cual las plantas verdes convierten la energía lumínica del sol en energía química que luego es contenida en compuestos de carbono reducidos, desprendiendo simultáneamente oxígeno molecular. Este proceso es indiscu;blemente uno de los mas importantes de todas las reacciones bioquímicas de los seres vivos, pues aunque todos realizan síntesis orgánica, solo las plantas verdes ;enen la capacidad de transformar la energía lumínica del sol en energía química. El proceso de fotosíntesis es un proceso muy complejo que en general se desarrolla en dos fases o ;pos de reacciones: las reacciones lumínicas o fase luminosa y las reacciones de obscuridad o fase oscura. Ecuación general de la Fotosíntesis : Luz 6 CO2 + 6 H2O C6 H12 O6 + 6 O2 Cloroplasto
Reacciones Lumínicas. Se definen como el ;po de reacciones de la fotosíntesis donde es necesaria la presencia de la luz para que estas se lleven a cabo, es decir la energía lumínica es u;lizada y absorbida por los pigmentos presentes en los ;lacoides de los cloroplastos y allí es transformada en energía química y depositada en moléculas de ATP y de NADPH (dinucleó;do de nicovnamida adenina fosfato reducido) Reacciones de Obscuridad. Se definen como el ;po de reacciones fotosinté;cas que no necesitan la luz para llevarse a cabo, es decir pueden realizarse en presencia o ausencia de la luz. Estas reacciones ocurren en el estroma del cloroplasto y consisten fundamentalmente en la transformación del CO 2 atmosférico en carbono orgánico reducido (glucosa).
LA LUZ La Luz puede definirse como un conjunto de parvculas radiac;vas llamadas quantos o fotones, irradiadas por el sol y que viajan por el espacio describiendo un movimiento ondulatorio. Cada parvcula o quanto, con;ene una diferente calidad energé;ca la cual esta dada precisamente por la medida de la longitud de la onda que describe al viajar. Dicho de otra manera cada fotón ;ene una diferente longitud de onda y por consiguiente una diferente can;dad de energía. Para determinar la energía de un fotón es u;lizada la Ley de Planck: q = hv, donde q es la energía del quanto, h es la constante de Planck (6.624 x 10-27 erg/seg), v es la frecuencia de la luz en ondas por segundo, la cual se ob;ene dividiendo la velocidad de la luz (c) entre la longitud de onda (λ) expresada en nanómetros, por lo tanto: q = h c λ Como puede observarse, la energía de cada fotón esta dada por su longitud de onda, y así, a medida que λ es mayor, la can;dad de energía ;ende a ser menor y viceversa. De esta manera las parvculas con longitudes de onda corta ;enen mucho mas energía que las parvculas de onda larga. De la can;dad total de energía que es recibida en el cloroplasto, aproximadamente solo el 40% corresponde a la luz visible, la cual es la única radiación fotosinté;camente ac;va. La luz visible es un conjunto de radiaciones cuya longitud de onda varía desde los 390 nm hasta los 780 nm; es en apariencia blanca, pero se compone de diferentes colores, donde cada uno corresponde a un tramo de ese intervalo (fig. anterior). Las radiaciones menores de 390 nm (ultravioleta) y mayores de 780 nm (infrarrojo) pueden tener en las plantas diversos efectos biológicos, pero no pueden ser aprovechadas para realizar fotosíntesis.
CLOROPLASTO En las plantas, los cloroplastos se encuentran presentes en todas las células clorenquimá;cas del mesófilo y de la periferia de los tallos herbáceos. El cloroplasto está delimitado por dos membranas (la interna y la externa) y con;ene una matriz interna o estroma. El estroma se encuentra atravesado por todo el sistema ;lacoidal de membranas (o lamelas) que delimitan otro compar;miento, el lumen o espacio intra;lacoidal. Los agrupamientos de ;lacoides apilados forman los grana (pilas de lamelas granales), mientras que el resto de ;lacoides forman las lamelas estromales. Todos los ;lacoides de un cloroplasto son siempre paralelos entre sí. Así pues, a medida que los cloroplastos se orientan hacia la luz, los millones de moléculas de los pigmentos pueden orientarse simultáneamente para op;mizar la recepción, como si fueran pequeñas antenas electromagné;cas.
LOS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS Inicialmente se consideró solamente a la clorofila como el pigmento encargado de recibir la energía lumínica, aunque posteriormente se demostró que existen otros pigmentos que están involucrados en esta función. La clorofila a es verde- azulada, mientras que la clorofila b es amarillenta. La clorofila a se encuentra en todos los organismos fotosinté;cos que desprenden oxígeno, la clorofila b se encuentra (aproximadamente 1/3 del contenido de la clorofila a) en las hojas de las plantas superiores y de las algas verdes. La fórmula molecular de la clorofila a es C 55 H 72 N 4 O 5 Mg y la de la clorofila b es C 55 H 70 N 4 O 6 Mg. La molécula de clorofila ;ene una porfirina a modo de cabeza y un fitol (alcohol de cadena larga) a modo de cola. El núcleo porfirínico polar esta formado por un anillo tetrapirrólico y un átomo de Magnesio en el centro. Los carotenoides son pigmentos amarillos o naranjas que se encuentran en todas las células fotosinté;cas. Su color en las hojas normalmente es enmascarado por la clorofila, pero en otoño cuando la clorofila se degenera y se desintegra, los pigmentos amarillos se hacen visibles. Los carotenoides son generalmente hidrocarburos (carotenos) o hidrocarburos que con;enen oxígeno (carotenoles o xantofilas) de cadenas de 40 carbonos formados a par;r de subunidades de isopreno.
Los pigmentos en los cloroplastos estan estrechamente asociados a proteínas y se alojan en la bicapa lipídica de los ;lacoides. Estos complejos proteína- clorofila forman agrupaciones, cada una de 200 a 300 moléculas de clorofila, que son los pigmentos antena, dispuestos alrededor de un núcleo o centro de reacción, formado probablemente por una o dos moléculas de clorofila Los pigmentos antena son los encargados de absorber la energía lumínica y transferirla por resonancia al centro de reacción. Al recibir esta energía, la clorofila del centro de reacción pierde un electrón, que es transferido a una serie de transportadores de electrones. Estos transportadores actúan en cadena, captando el electrón (por lo tanto reduciéndose) y seguidamente cediéndolo (por lo tanto oxidándose) al siguiente compuesto. Cuando una molécula de clorofila absorbe un fotón, pasa a un estado inestable de mayor energía, denominado estado exitado, en el que un electrón periférico se desplaza hacia una posición mas externa. Si este electrón pasa a otra molécula, la energía se habrá transmi;do y la molécula de clorofila permanecerá exitada; para volver a su estado fundamental deberá recibir otro electrón que ocupe el hueco dejado por el primero La alta eficiencia energé;ca de la fotosíntesis esta garan;zada por la organización específica ultraestructural de los cloroplastos, la cual descansa sobre la base de la interacción de las moléculas de pigmentos con los lípidos y proteínas de las membranas. Esta organización asegura la rápida migración de energía desde la molécula que absorbió un quanto de luz hasta las moléculas vecinas. Esta transferencia ocurre no solo entre moléculas iguales sino también entre pigmentos desiguales. Los pigmentos fotosinté;cos se asocian formando sistemas de pigmentos o Fotosistemas; en las plantas superiores existen dos ;pos: El Fotosistema I y el Fotosistema II. El complejo antena del Fotosistema I esta fromado por moléculas de Clorofila a, clorofila b y un pigmento- proteína llamado P- 700. El centro de reacción de este fotosistema esta formado por moléculas de Clorofila a. El complejo antena del Fotosistema II esta formado por moléculas de Clorofila a, Xantofilas y Carotenoides. El centro de reacción de este Fotosistema también esta formado por moléculas de Clorofila a.
REACCIONES LUMÍNICAS La energía lumínica en forma de un fotón de 680 nm incide sobre los pigmentos antena del Fotosistema II, que con;ene algunos cientos de moléculas de clorofila a. Los electrones son canalizados hasta el centro de reacción donde luego son lanzados cuesta arriba desde el centro de reacción de la clorofila a. En este paso, parte de la energía de los electrones es u;lizada para que una enzima deshidrogenasa (ac;vada por un ion Manganeso) rompa la molécula de agua con la producción simultánea de O2 y protones (iones H+). La energía liberada y los iones Hidrogeno, son enviados al primer aceptor- donador de electrones del Fotosistema II, la Plastoquinona. Posteriormente la Plastoquinona cede los electrones al Citocromo b y este hace lo mismo hacia el Citocromo f. En esta transferencia, parte de la energía transportada, es u;lizada por la enzima ATP- Sintasa para llevar a cabo la fosforilación del ADP+Pi formando un ATP. A esta fosforilación por ser iniciada con energía proveniente de la luz, se le llama Fotofosforilación. Luego el Citocromo f transfiere el resto de la energía al ul;mo aceptor donador de electrones del Fotosistema II, la Plastocianina. La Plastocianina cede los electrones al centro de reacción del Fotosistema I, el cual también puede ser ac;vado o excitado por un fotón de 700 nm. En cualquier caso, el centro de reacción envía la energía al primer aceptor- donador de electrones del Fotosistema I, la Ferredoxina. Este aceptor- donador, proporciona los electrones necesarios para que la enzima reductasa reduzca al NADP y lo transforme en NADPH2. La Ferredoxina puede también enviar los electrones recibidos a la Plastoquinona o al Citocromo b para que se inicie otra fotosoforilación. Cuando así lo hace, se forma un nuevo ATP y parte de la energía va a la Plastocianina y después nuevamente al centro de reacción del Fotosistema I, completándose así un ciclo. Se llama Fotofosforilación acíclica a la formación de ATP por el Fotosistema II y donde la energía u;lizada para tal fosforilación, no regresa al mismo Fotosistema. En cambio, se le llama Fotofosforilación cíclica, a la formación de ATP por el Fotosistema I y donde la energía u;lizada para tal fosforilación, regresa al mismo fotosistema.
A las reacciones lumínicas también se les llama: Reacción de Hill, porque este autor fue quien las describió primero; también se les llama, reacciones de la fotólisis del agua, porque la molécula de agua es rota por efecto de la luz; Tambien se les llama reaqcciones del esquema Z, porque la primera vez que se presentaron fue en forma de Z. Robert Emerson de la Universidad de Illinois demostró que la luz roja con longitudes mayores de 690 nm era muy ineficiente para inducir ac;vidad fotosinté;ca, aún cuando gran parte de esta radiación es absorbida por la clorofila a in vivo. Emerson descubrió que, si se suma la energía producida por cada fotositema trabajando por separado, esa energía es menor que si se suma la energía producida por los dos fotosistemas trabajando juntos. A este sinergismo o intensificación se le llamó efecto Emerson. En la primera fase de la fotosíntesis, la energía de la luz se convierte en energía eléctrica - el flujo de electrones- y la energía eléctrica se convierte en energía química que se almacena en los enlaces del NADPH2 (gran poder reductor) y ATP (alto contenido energé;co). En la segunda fase de la fotosíntesis, esta energía se usa para reducir el carbono y sinte;zar glúcidos sencillos Hasta ahora, solo se ha visto la transformación de la luz en energía química (ATP y NADPH2) donde todas las plantas superiores realizan las reacciones lumínicas de la misma forma, solo existe una manera de transformar la luz en energía química, en cambio, las reacciones de obscuridad, pueden Llevarse a cabo de tres formas dis;ntas, por la vía C3, por la vía C4 o por la vía del CAM. La vía C3, llamada también Ciclo de Calvin, en honor a su descubridor, el Dr. Melvin Calvin de la Universidad de Berkley, es la vía más an;gua y desde donde se supone evolucionaron tanto la C4 como la vía del CAM. Las plantas C4 evolucionaron tratando de ser mas eficientes en la producción de fotosíntesis, mientras que las plantas CAM evolucionaron para sobrevivir en ambientes hos;les donde las demás plantas no podrían hacerlo.
VÍA C3 ó CICLO DE CALVIN Las células fotosinté;cas ob;enen el carbono del CO 2. Las células de las algas ob;enen el CO 2 directamente del agua que las rodea. En las plantas, en cambio, el CO 2 llega a las células a través de unos poros especializados, llamados estomas, que se encuentran en las hojas y tallos verdes. El ciclo comienza cuando el dióxido de carbono se une al Difosfato de Ribulosa, como resultado de esta carboxilación, se forma un compuesto inestable y eomero de seis carbones que se descompone inmediatamente en dos moléculas de ácido fosfoglicérico o PGA. Esta reacción está catalizada por una enzima específica, la RuDP carboxilasa (conocida también como RuBisCO), que cons;tuye más del 15 por ciento de la proteína del cloroplasto. De hecho, la RuBisCO se supone que es la proteína más abundante de la Tierra. Cada una de las moléculas de PGA formadas en la reacción inicial con;enen tres átomos de carbono; por esto, el ciclo de Calvin se conoce también como ruta C 3. El ácido fosfoglicérico (PGA) debe reducirse, pero para ello el PGA debe previamente ac;varse, lo que consigue añadiendo otro grupo fosfato a su molécula mediante una fosforilación que requiere el empleo de ATP (procedente de la fase luminosa) y en la que se ob;ene ácido difosfoglicérico (DPGA). Una vez ac;vado, el ácido está en condiciones de reducirse a aldehído, en este caso a fosfogliceraldehido (PGA). En esta reducción, se consume NADPH2 (procedente de la etapa luminosa), y se pierde el fosfato adicional. El PGA es ya un glúcido sencillo, una triosa, por lo que con estas reacciones se ha logrado la transformación del carbono inorgánico en una molécula orgánica, y se ha cumplido lo esencial de la fotosíntesis. Las moléculas de PGA así formadas pueden conver;rse ya sea en una hexosa y finalmente en la Glucosa o bien, una buena parte del conjunto se encaminarán a formar el Fosfato de Ribulosa para posteriormente fosfatarse usando un ATP y regenerar el Difosfato de Ribulosa con el que se inició el ciclo.
A manera de resumen, la reducción del CO 2 hasta la formación de azúcares se lleva a cabo en tres fases dis;ntas: Fase de Carboxilación. Esta fase consiste en una reacción donde el CO 2 atmosférico se añade al azúcar de 5 carbonos, el difosfato de ribulosa, para formar dos moléculas de ácido fosfoglicérico. Esta reacción es catalizada como ya se mencionó anteriormente, por la enzima difosfato de ribulosa- carboxilasa (RuBP- carboxilasa) también llamada Rubisco. Fase de Reducción. El ácido fosfoglicérico formado por la adición del CO 2 al difosfato de ribulosa, es esencialmente un ácido orgánico y no esta al nivel energé;co de un azúcar. Para conver;r el ácido fosfoglicérico en un azúcar de tres carbonos (triosa fosfato), es necesario u;lizar la energía y poder reductor del NADPH y ATP. La reacción de reducción se lleva a cabo en dos pasos, primero la fosforilación añadiendo un fosfato del ATP y luego reduciendo con el NADPH. Fase de Regeneración. El difosfato de ribulosa deberá ser regenerado para posteriores reacciones de fijación de nuevas moléculas de CO 2, lo cual se logra a par;r de triosas, tetrosas, pentosas, hexosas o heptosas.
VÍA C4 ó CICLO DE HATCH- SLACK Las plantas C 4 presentan una anatomía foliar peculiar, conocida como anatomía del ;po Kranz o en corona. En el corte transversal de estas hojas se observan dos ;pos de células fotosinté;cas: unas grandes, que rodean a los haces vasculares (a modo de coronas) formando una vaina, y las restantes que ocupan el mesófilo, menores y dispuestas por lo general más o menos radialmente alrededor de la vaina. Las hojas de las plantas C 4 poseen dos ;pos de cloroplastos; los del mesófilo y los de la vaina parenquimá;ca del haz vascular. Los estomas de las plantas C 4 suelen hallarse de tal modo que la cavidad subestomá;ca se encuentra justamente al lado de los cloroplastos de las células del mesófilo. La fijación del CO 2 ;enen lugar, en primer término de forma transitoria, en el citosol de las células del mesófilo, donde la enzima Fosfoenol Piruvato carboxilasa (PEP- carboxilasa) los une al ácido fosfoenol pirúvico (PEP), de tres átomos de carbono. De esta carboxilación se ob;ene como primer producto de fijación del CO 2 el ácido oxalacé;co, un ácido dicarboxílico de cuatro carbonos (por esta razón esta vía fotosinté;ca se conoce como ciclo C 4 ).
El ácido oxalacé;co es luego transformado en otro ácido de 4 carbones que será transportado, vía plasmodesmos, a las células de la vaina del haz. En algunas plantas C 4 esta transformación es una reducción, que ;ene lugar en los cloroplastos del mesofilo, y de la que se ob;ene ácido málico; en otras se trata de una transaminación que ocurre en el citosol y de la que se ob;ene ácido aspár;co. El ácido málico entra a los cloroplastos de la vaina y allí es decarboxilado a ácido pirúvico. El ácido aspár;co es reconver;do a ácido oxalacé;co en las células de la vaina, ya sea en mitocondrias (en ciertas especies) o en citosol (en otras plantas); el ácido oxalacé;co es reducido a ácido málico y decarboxilado a ácido pirúvico. En todos los casos la decarboxilación libera CO 2 en la vaina, que puede entrar al ciclo de Calvin al ser fijado por la enzima RuBP- carboxilasa; el ácido pirúvico que queda es transportado nuevamente al mesófilo donde, previa fosforilación y usando un ATP, podrá reiniciar el ciclo como fosfoenol piruvato. Por tanto, el CO 2 que fija el enzima RuBP- carboxilasa y entra al ciclo de Calvin no procede directamente de la atmósfera, sino que ha sido fijado transitoriamente en el mesófilo y vuelto a liberar en la células de la vaina. Esta compar;mentación (fijación inicial del CO 2 en el mesófilo y ciclo de Calvin en la vaina) permite un mejor aprovechamiento del CO 2 ya que: La enzima PEP- carboxilasa ;ene una enorme afinidad porel CO 2, y por otra parte no es oxigenasa, por lo que el O 2 no interfiere en la fijación. El CO 2 captado en el mesófilo y liberado en la vaina resulta mucho más concentrado en ésta que en el tejido fotosinté;co de las plantas C 3, de manera que compite mejor con el O 2 y se favorece así la actuación como carboxilasa de la RuBP- carboxilasa.
LA FOTORRESPIRACIÓN En presencia de suficiente CO 2, la enzima RuDP carboxilasa introduce el CO 2 dentro del ciclo de Calvin con una gran eficacia (ac;vidad carboxilasa). Sin embargo, cuando la concentración de CO 2 en la hoja es muy pequeña comparada con la concentración de oxígeno, la misma enzima cataliza la reacción de la RuDP con el oxígeno (ac;vidad oxigenasa), en vez del CO 2. Esta reacción es el primer paso de un proceso conocido como fotorrespiración, por el cual los glúcidos son oxidados a CO 2 y agua en presencia de luz. A diferencia de la respiración mitocondrial, la fotorrespiración es un proceso donde la energía se pierde, y no se produce ni ATP ni NADH. En algunas plantas, cerca del 50 % del carbono fijado en la fotosíntesis puede ser reoxidado a CO 2 durante la fotorrespiración. La reacción de una molécula de Difosfato de Ribulosa (5C) con O 2 produce una de PGA (3C) y otra de ácido fosfoglicólico, que rápidamente es hidrolizado a ácido glicólico (2C), con pérdida de P i. El ácido glicólico sale de los cloroplastos y entra en los peroxisomas (orgánulos ricos en enzimas oxida;vos), donde vuelve a reaccionar con oxígeno para dar ácido glioxílico y peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ); este úl;mo compuesto es conver;do por la catalasa en agua y O 2. El ácido glioxílico es transformado en glicina (2C), un aminoácido que pasa a las mitocondrias; en estos orgánulos, dos moléculas (4C) de glicina forman una de serina (3C), con liberación de una molécula de CO 2 (1C). La serina vuelve a los peroxisomas y es transformada en ácido glicérico, que pasa a los cloroplastos y allí, por fosforilación con empleo de ATP se convierte en PGA. De esta manera se recuperan para el ciclo fotosinté;co 3 de cada 4 átomos de carbono perdidos inicialmente como ácido fosfoglicólico, es decir, 9 de cada 10 desviados en la oxigenación de la RuDP
VÍA CAM ó METABOLISMO ÁCIDO DE LAS CRASSULACEAS La siglas CAM significan en inglés, metabolismo ácido de las Crasuláceas, debido a que esta variante fotosinté;ca se describió inicialmente en plantas de esta familia. Se trata en general de plantas originarias de regiones desér;cas o subdesér;cas some;das a intensa iluminación, altas temperaturas y pronunciados déficit hídricos, adaptadas a condiciones de aridez bastante extremas. En estas plantas el tejido fotosinté;co es homogéneo, sin vaina diferenciada, ni tampoco clorénquima en empalizada. Pero sus estomas muestran un peculiar comportamiento ya que, al contrario de los de las demás plantas, se abren de noche y se cierran de día. Durante la noche, los estomas abiertos permiten la fijación del CO 2 atmosférico por la enzima PEP- carboxilasa en el citosol; el PEP sobre el que actúa esta enzima procede de la degradación del almidón, acumulado en los cloroplastos durante el día. De la carboxilación del PEP se obiente ácido oxalacé;co, que luego es reducido a málico. El ácido málico no se transporta a otras células sino que se acumula en la vacuola de la misma célula. De esta manera, cada molécula de CO 2 que entra a la planta, es fijado y almacenado durante la noche como ácido málico. Posteriormente durante el día y con los estomas cerrados, el ácido málico sale de la vacuola y se descarboxila formando ácido pirúvico; en esta reacción se libera CO 2, que entra a los cloroplastos para iniciar allí el cilo de Calvin. El ácido pirúvico es transformado en fosfoenol piruvato, que luego pasa a fosfato de triosa; las triosas en los cloroplastos dan lugar a la síntesis y acumulación de almidón, a par;r del cual se regenerará el PEP durante la noche.
El complejo proceso de fotosíntesis, con sus numerosos pasos que ocurren en varias etapas y ;enen lugar en dis;ntos compar;mentos estructurales, se ve afectado por diversos factores, tanto ambientales como endógenos o propios de la planta. Entre los factores ambientales principales se cuentan la luz, que proporciona la energía necesaria; la concentración atmosférica de CO2, que es la fuente de carbono; la temperatura, debido a su influencia en todos los procesos enzimá;cos y metabólicos; también juegan un papel la disponibilidad de agua, que puede afectar al grado de apertura estomá;ca y por tanto a la difusión del CO2, y la disponibilidad de nutrientes Los factores endógenos son las caracterís;cas propias del vegetal (estructurales, bioquímicas, etc.) que influyen en cualquiera de los procesos parciales de la fotosíntesis, y resultan de la interacción entre el geno;po y el ambiente en el que se ha desarrollado la planta. El síndrome de caracteres anatómicos, bioquímicos y fisiológicos que determinan que una especie sea C3, C4, o CAM es uno de los principales factores internos que afectan al proceso fotosinté;co. También influyen en la fotosíntesis la densidad de los estomas y su sensibilidad, la edad de la hoja y el área foliar, entre otros factores