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Fotosíntesis

La fotosíntesis es la vía bioquímica que convierte la energía de la luz en enlaces de moléculas de glucosa. El proceso de fotosíntesis se produce en dos pasos. En el primer paso, la energía de la luz se almacena en los enlaces de trifosfato de adenosina (ATP) y fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina ( NADPH ). Estos dos cofactores que almacenan energía se utilizan luego en el segundo paso de la fotosíntesis para producir moléculas orgánicas mediante la combinación de moléculas de carbono derivadas del dióxido de carbono (CO 2 ). El segundo paso de la fotosíntesis se conoce como ciclo de Calvin. Estas moléculas orgánicas pueden luego ser utilizadas por las mitocondrias para producir ATP, o pueden combinarse para formar glucosa, sacarosa y otros carbohidratos. La ecuación química de todo el proceso se puede ver a continuación.

Ecuación de la fotosíntesis

6 CO 2 + 6 H 2 O + Luz -> C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O

Arriba está la reacción general para la fotosíntesis. Usando la energía de la luz y los hidrógenos y electrones del agua, la planta combina los carbonos que se encuentran en el dióxido de carbono en moléculas más complejas. Mientras que una molécula de 3 carbonos es el resultado directo de la fotosíntesis, la glucosa es simplemente dos de estas moléculas combinadas y a menudo se representa como el resultado directo de la fotosíntesis debido a que la glucosa es una molécula fundamental en muchos sistemas celulares. También notará que se producen 6 moléculas de oxígeno gaseoso, como subproducto. La planta puede utilizar este oxígeno en sus mitocondrias durante la fosforilación oxidativa. Si bien parte del oxígeno se utiliza para este propósito, una gran parte se expulsa a la atmósfera y nos permite respirar y experimentar nuestra propia fosforilación oxidativa, en moléculas de azúcar derivadas de plantas. 

También notará que esta ecuación muestra agua en ambos lados. Esto se debe a que se dividen 12 moléculas de agua durante las reacciones de luz, mientras que se producen 6 moléculas nuevas durante y después del ciclo de Calvin. Si bien esta es la ecuación general para todo el proceso, hay muchas reacciones individuales que contribuyen a esta vía.

Etapas de la fotosíntesis

Las reacciones de luz

Las reacciones a la luz ocurren en las membranas tilacoides de los cloroplastos de las células vegetales. Los tilacoides tienen grupos de proteínas y enzimas densamente empaquetados conocidos como fotosistemas . Hay dos de estos sistemas, que trabajan en conjunto para eliminar electrones e hidrógenos del agua y transferirlos a los cofactores ADP y NADP + . Estos fotosistemas fueron nombrados en el orden en que fueron descubiertos, que es opuesto a cómo fluyen los electrones a través de ellos. Como se ve en la imagen de abajo, los electrones excitados por la energía de la luz fluyen primero a través del fotosistema II (PSII) y luego a través del fotosistema I (PSI) a medida que crean NADPH. El ATP es creado por la proteína ATP sintasa, que utiliza la acumulación de átomos de hidrógeno para impulsar la adición de grupos fosfato al ADP.

Membrana tilacoide

Todo el sistema funciona de la siguiente manera. Un fotosistema está compuesto por varias proteínas que rodean y conectan una serie de moléculas de pigmento. Los pigmentos son moléculas que absorben varios fotones, permitiendo que sus electrones se exciten. La clorofila a es el pigmento principal utilizado en estos sistemas y recoge la transferencia de energía final antes de liberar un electrón. El fotosistema II inicia este proceso de electrones utilizando la energía de la luz para dividir una molécula de agua, que libera el hidrógeno mientras extrae los electrones. 

Luego, los electrones pasan a través de la plastoquinona, un complejo enzimático que libera más hidrógenos en el espacio tilacoide.. Luego, los electrones fluyen a través de un complejo de citocromo y plastocianina para llegar al fotosistema I. Estos tres complejos forman una cadena de transporte de electrones, muy parecida a la que se observa en las mitocondrias. El fotosistema I luego usa estos electrones para impulsar la reducción de NADP + a NADPH. El ATP adicional producido durante las reacciones de luz proviene de la ATP sintasa, que utiliza el gran gradiente de moléculas de hidrógeno para impulsar la formación de ATP.

El ciclo de Calvin

Con sus portadores de electrones NADPH y ATP todos cargados con electrones, la planta ahora está lista para crear energía almacenable. Esto sucede durante el ciclo de Calvin , que es muy similar al ciclo del ácido cítrico que se observa en las mitocondrias. Sin embargo, el ciclo del ácido cítrico crea ATP otros portadores de electrones a partir de moléculas de 3 carbonos, mientras que el ciclo de Calvin produce estos productos con el uso de NADPH y ATP. El ciclo tiene 3 fases, como se ve en el gráfico siguiente.

ciclo de Calvin

Durante la primera fase, se agrega un carbono a un azúcar de 5 carbonos, creando un azúcar de 6 carbonos inestable. En la fase dos, este azúcar se reduce a dos moléculas de azúcar estables de 3 carbonos. Algunas de estas moléculas se pueden utilizar en otras vías metabólicas y se exportan. El resto queda para continuar recorriendo el ciclo de Calvin. Durante la tercera fase, el azúcar de cinco carbonos se regenera para comenzar el proceso nuevamente. El ciclo de Calvin ocurre en el estroma de un cloroplasto. Si bien no se considera parte del ciclo de Calvin, estos productos se pueden usar para crear una variedad de azúcares y moléculas estructurales.

Productos de la fotosíntesis

Los productos directos de las reacciones a la luz y el ciclo de Calvin son 3-fosfoglicerato y G3P, dos formas diferentes de una molécula de azúcar de 3 carbonos. Dos de estas moléculas combinadas equivalen a una molécula de glucosa, el producto que se ve en la ecuación de la fotosíntesis. Si bien esta es la principal fuente de alimento para plantas y animales, estos esqueletos de 3 carbonos se pueden combinar en muchas formas diferentes. Una forma estructural digna de mención es la celulosa , un material fibroso extremadamente fuerte hecho esencialmente de hilos de glucosa. Además de los azúcares y las moléculas a base de azúcar, el oxígeno es el otro producto principal de la fotosíntesis. El oxígeno creado a partir de la fotosíntesis alimenta a todos los organismos que respiran en el planeta.

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