VERSIÓN CORTA: La fotosíntesis (del griego φώτο- [foto-] , “luz” y σύνθεσις [síntesis] , “armar”, “composición”) es un proceso utilizado por las plantas y otros organismos para convertir la energía luminosa capturada de El sol se convierte en energía química que puede utilizarse para alimentar las actividades del organismo. La fotosíntesis ocurre en plantas, algas y muchas especies de bacterias, pero no en arqueas.
OK, ahora la versión muy larga (explicación en profundidad total)
¿Qué es la fotosíntesis?
La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas, algunas bacterias y algunos protistas utilizan la energía de la luz solar para producir azúcar, que la respiración celular convierte en ATP, el “combustible” utilizado por todos los seres vivos. La conversión de energía solar inutilizable en energía química utilizable, está asociada con las acciones de la clorofila pigmento verde. La mayoría de las veces, el proceso fotosintético utiliza agua y libera el oxígeno que absolutamente debemos tener para mantenernos vivos. ¡Oh sí, necesitamos la comida también!
Podemos escribir la reacción general de este proceso como:
- ¿Qué científicos actuales (vivos) tienen o están descubriendo algo sorprendente?
- ¿Qué puedes decirnos o enseñarnos sobre la mancha roja de Júpiter? ¿Es una tormenta en el sentido de lo que tenemos en la tierra y alguna vez desaparecerá?
- ¿Cuáles son los niveles de energía de un átomo?
- ¿Por qué la densidad del agua es más alta a 4 ° C?
- Dos sustancias son sensibles a la temperatura y tienen casi los mismos puntos de ebullición. ¿Cuál es la mejor manera de separar las dos sustancias?
6H2O + 6CO2 ———-> C6H12O6 + 6O2
La mayoría de nosotros no hablamos químicamente, por lo que la ecuación química anterior se traduce como:
seis moléculas de agua más seis moléculas de dióxido de carbono producen una molécula de azúcar más seis moléculas de oxígenoDiagrama de una planta típica, que muestra las entradas y salidas del proceso fotosintético.
Hojas y estructura de la hoja :
Las plantas son los únicos organismos fotosintéticos que tienen hojas (y no todas las plantas tienen hojas). Una hoja puede verse como un colector solar repleto de células fotosintéticas.
Las materias primas de la fotosíntesis, el agua y el dióxido de carbono, entran en las células de la hoja, y los productos de la fotosíntesis, el azúcar y el oxígeno, abandonan la hoja.Corte transversal de una hoja, que muestra las características anatómicas importantes para el estudio de la fotosíntesis: estoma, células de guarda, células mesófilas y venas.
El agua ingresa a la raíz y se transporta hasta las hojas a través de células vegetales especializadas conocidas como xilema (se pronuncia zigh-lem). Las plantas terrestres deben evitar el secado (desecación) y, por lo tanto, han desarrollado estructuras especializadas conocidas como estomas para permitir que el gas entre y salga de la hoja. El dióxido de carbono no puede pasar a través de la capa cerosa protectora que cubre la hoja (cutícula), pero puede ingresar a la hoja a través de una abertura (el estoma; plural = estoma; griego para el agujero) flanqueada por dos células protectoras. Del mismo modo, el oxígeno producido durante la fotosíntesis solo puede pasar de la hoja a través de los estomas abiertos. Desafortunadamente para la planta, mientras estos gases se mueven entre el interior y el exterior de la hoja, también se pierde mucha agua. Los árboles de Cottonwood, por ejemplo, perderán 100 galones de agua por hora durante los días calurosos del desierto. El dióxido de carbono ingresa a los autótrofos acuáticos y unicelulares a través de estructuras no especializadas.
Estoma de hoja de guisante, vicea sp. (SEM x3,520).
La naturaleza de la luz:
La luz blanca se separa en los diferentes colores (= longitudes de onda) de la luz al pasarla a través de un prisma. La longitud de onda se define como la distancia de pico a pico (o de canal a canal). La energía de es inversamente proporcional a la longitud de onda: las longitudes de onda más largas tienen menos energía que las más cortas.
Longitud de onda y otros aspectos de la naturaleza ondulatoria de la luz.
El orden de los colores está determinado por la longitud de onda de la luz. La luz visible es una pequeña parte del espectro electromagnético. Cuanto más larga sea la longitud de onda de la luz visible, más rojo será el color. Del mismo modo, las longitudes de onda más cortas son hacia el lado violeta del espectro. Las longitudes de onda más largas que el rojo se denominan infrarrojos, mientras que las más cortas que el violeta son ultravioletas.
El espectro electromagnético.
La luz se comporta tanto como una onda como una partícula. Las propiedades de onda de la luz incluyen la flexión de la trayectoria de la onda al pasar de un material (medio) a otro (es decir, el prisma, el arco iris, el lápiz en un vaso de agua, etc.). Las propiedades de las partículas son demostradas por el efecto fotoeléctrico. El zinc expuesto a la luz ultravioleta se carga positivamente porque la energía de la luz fuerza a los electrones del zinc. Estos electrones pueden crear una corriente eléctrica. El sodio, el potasio y el selenio tienen longitudes de onda críticas en el rango de luz visible. La longitud de onda crítica es la longitud de onda máxima de la luz (visible o invisible) que crea un efecto fotoeléctrico.
Clorofila y pigmentos accesorios:
Un pigmento es cualquier sustancia que absorbe la luz. El color del pigmento proviene de las longitudes de onda de la luz reflejada (en otras palabras, las que no se absorben). La clorofila , el pigmento verde común a todas las células fotosintéticas, absorbe todas las longitudes de onda de la luz visible, excepto la verde, que refleja para ser detectada por nuestros ojos. Los pigmentos negros absorben todas las longitudes de onda que los golpean. Los pigmentos blancos / colores más claros reflejan toda o casi toda la energía que los golpea. Los pigmentos tienen sus propios espectros de absorción característicos, el patrón de absorción de un pigmento dado.
Absorción y transmisión de diferentes longitudes de onda de la luz por un pigmento hipotético.
La clorofila es una molécula compleja. Varias modificaciones de la clorofila ocurren entre las plantas y otros organismos fotosintéticos. Todos los organismos fotosintéticos (plantas, ciertas protistanas, proclorobacterias y cianobacterias) tienen clorofila a. Los pigmentos accesorios absorben la energía que la clorofila no absorbe. Los pigmentos accesorios incluyen clorofila b (también c, d y e en algas y protistans), xantofilas y carotenoides (como el betacaroteno). La clorofila a absorbe su energía de las longitudes de onda Violet-Blue y Reddish orange-Red, y poco de las longitudes de onda intermedias (Green-Yellow-Orange).
Modelo molecular de la clorofila.
Modelo molecular del caroteno.
Los carotenoides y la clorofila b absorben parte de la energía en la longitud de onda verde. ¿Por qué no tanto en las longitudes de onda naranja y amarilla? Ambas clorofilas también absorben en el extremo naranja-rojo del espectro (con longitudes de onda más largas y menor energía). Los orígenes de los organismos fotosintéticos en el mar pueden explicar esto. Las longitudes de onda más cortas (con más energía) no penetran mucho menos de 5 metros de profundidad en el agua de mar. La capacidad de absorber algo de energía de las longitudes de onda más largas (por lo tanto, más penetrantes) podría haber sido una ventaja para las algas fotosintéticas tempranas que no podían estar en la zona superior (fótica) del mar todo el tiempo.
La estructura molecular de las clorofilas.
El espectro de acción de la fotosíntesis es la efectividad relativa de diferentes longitudes de onda de la luz para generar electrones. Si un pigmento absorbe energía de la luz, ocurrirá una de tres cosas. La energía se disipa en forma de calor. La energía se puede emitir inmediatamente como una longitud de onda más larga, un fenómeno conocido como fluorescencia. La energía puede desencadenar una reacción química, como en la fotosíntesis. La clorofila solo desencadena una reacción química cuando se asocia con proteínas incrustadas en una membrana (como en un cloroplasto) o en los infoldings de membrana que se encuentran en procariotas fotosintéticos, como cianobacterias y proclorobacterias.
Espectro de absorción de varios pigmentos de plantas (izquierda) y espectro de acción de elodea (derecha), una planta de acuario común utilizada en experimentos de laboratorio sobre la fotosíntesis
La estructura del cloroplasto y las membranas fotosintéticas :
El thylakoidis es la unidad estructural de la fotosíntesis. Tanto los procariotas fotosintéticos como los eucariotas tienen estos sacos / vesículas aplanadas que contienen sustancias químicas fotosintéticas. Sólo los eucariotas tienen cloroplastos con una membrana circundante.
Los tilacoides se apilan como panqueques en pilas conocidas colectivamente como grana. Las áreas entre grana se denominan estroma. Mientras que la mitocondria tiene dos sistemas de membrana, el cloroplasto tiene tres, formando tres compartimentos.Estructura de un cloroplasto.
Etapas de la fotosíntesis:
La fotosíntesis es un proceso de dos etapas. El primer proceso es el Proceso Dependiente de la Luz (Reacciones de Luz), requiere la energía directa de la luz para hacer moléculas portadoras de energía que se utilizan en el segundo proceso. El Proceso Independiente de la Luz (o Reacciones de la Oscuridad) ocurre cuando los productos de la Reacción de la Luz se usan para formar enlaces covalentes de carbohidratos CC. Las Reacciones Oscuras generalmente pueden ocurrir en la oscuridad, si los portadores de energía del proceso de luz están presentes. La evidencia reciente sugiere que una enzima importante de la Reacción Oscura es estimulada indirectamente por la luz, por lo que el término Reacción Oscura es un nombre poco apropiado. Las reacciones a la luz ocurren en el grana y las reacciones oscuras tienen lugar en el estroma de los cloroplastos.
Visión general de los dos pasos en el proceso de fotosíntesis.
Reacciones a la luz :
En los Procesos Dependientes de la Luz (Reacciones de la Luz), la luz incide en la clorofila y de tal manera que excita los electrones a un estado de mayor energía. En una serie de reacciones, la energía se convierte (a lo largo de un proceso de transporte de electrones) en ATP y NADPH. El agua se divide en el proceso, liberando oxígeno como un subproducto de la reacción. El ATP y el NADPH se usan para hacer enlaces CC en el Proceso Independiente de la Luz (Reacciones Oscuras).
En el Proceso Independiente de la Luz, el dióxido de carbono de la atmósfera (o el agua de los organismos acuáticos / marinos) se captura y modifica mediante la adición de Hidrógeno para formar carbohidratos (la fórmula general de los carbohidratos es [CH2O] n). La incorporación de dióxido de carbono en compuestos orgánicos se conoce como fijación de carbono. La energía para esto proviene de la primera fase del proceso fotosintético. Los sistemas vivos no pueden utilizar directamente la energía luminosa, pero pueden, a través de una serie de reacciones complicadas, convertirla en energía de enlace CC que puede ser liberada por la glucólisis y otros procesos metabólicos.
Los fotosistemas son disposiciones de clorofila y otros pigmentos empaquetados en tilacoides. Muchos procariotas tienen un solo fotosistema, el fotosistema II (así numerado porque, aunque fue probablemente el primero en evolucionar, fue el segundo descubierto). Los eucariotas tienen fotosistema II plus Fotosistema I. El fotosistema I usa clorofila a, en la forma denominada P700. El fotosistema II utiliza una forma de clorofila conocida como P680. Ambas formas “activas” de clorofila desempeñan una función en la fotosíntesis debido a su asociación con proteínas en la membrana tilacoide.Acción de un fotosistema.
La fotofosforilación es el proceso de conversión de energía de un electrón excitado por la luz en el enlace pirofosfato de una molécula de ADP. Esto ocurre cuando los electrones del agua son excitados por la luz en presencia de P680. La transferencia de energía es similar al transporte de electrones quimiosmóticos que se produce en las mitocondrias. La energía luminosa provoca la eliminación de un electrón de una molécula de P680 que forma parte del fotosistema II. El P680 requiere un electrón, que se toma de una molécula de agua, rompiendo el agua en iones H + e iones O-2. Estos iones O-2 se combinan para formar el O2 diatómico que se libera. El electrón se “refuerza” a un estado de mayor energía y se une a un aceptor de electrones primario, que comienza una serie de reacciones redox, pasando el electrón a través de una serie de portadores de electrones, y eventualmente lo une a una molécula en el fotosistema I. La luz actúa sobre una molécula de P700 en el fotosistema I, lo que hace que un electrón se “incremente” a un potencial aún mayor. El electrón está unido a un aceptor de electrones primario diferente (que es una molécula diferente de la asociada con el fotosistema II). El electrón pasa nuevamente a través de una serie de reacciones redox, que eventualmente se unen a NADP + y H + para formar NADPH, un portador de energía necesario en la Reacción Independiente de la Luz. El electrón del fotosistema II reemplaza al electrón excitado en la molécula P700. Por lo tanto, hay un flujo continuo de electrones del agua a NADPH. Esta energía se utiliza en la fijación de carbono. El flujo cíclico de electrones se produce en algunos eucariotas y bacterias fotosintéticas primitivas. No se produce NADPH, solo ATP. Esto ocurre cuando las células pueden requerir ATP adicional, o cuando no hay NADP + para reducir a NADPH. En el fotosistema II, el bombeo a iones H en el tilacoide y la conversión de ADP + P en ATP se realizan mediante gradientes de electrones establecidos en la membrana del tilacoide.
Fotofosforilación no cíclica (arriba) y fotofosforilación cíclica (abajo). Estos procesos son más conocidos como las reacciones a la luz.
Los diagramas anteriores presentan la vista “antigua” de la fotofosforilación. Ahora sabemos dónde ocurre el proceso en el cloroplasto, y podemos vincularlo con la síntesis quimiosmótica de ATP.
Quiosmosis, ya que opera en la fotofosforilación dentro de un cloroplasto.
Las halobacterias, que crecen en agua extremadamente salada, son aerobios facultativos, pueden crecer cuando el oxígeno está ausente. Los pigmentos púrpuras, conocidos como retina (un pigmento que también se encuentra en el ojo humano) actúan de manera similar a la clorofila. El complejo de proteínas de la retina y la membrana se conoce como bacteriorrodopsina, que genera electrones que establecen un gradiente de protones que alimenta una bomba de ADP-ATP, generando ATP de la luz solar sin clorofila. Esto apoya la teoría de que los procesos quimiosmóticos son universales en su capacidad para generar ATP.
Reacción Oscura :
Las reacciones de fijación de carbono también se conocen como reacciones oscuras (o reacciones independientes de la luz). El dióxido de carbono ingresa en un autótrofo acuático unicelular a través de estructuras no especializadas que se difunden hacia las células. Las plantas terrestres deben evitar el secado (desecación) y, por lo tanto, han evolucionado las estructuras especializadas conocidas como estomatato que permiten que el gas entre y salga de la hoja. El ciclo de Calvin ocurre en el estroma de los cloroplastos (¿dónde ocurriría en un procariota?). El dióxido de carbono es capturado por el químico bifosfato de ribulosa (RuBP). RuBP es un producto químico 5-C. Seis moléculas de dióxido de carbono entran en el ciclo de Calvin, produciendo finalmente una molécula de glucosa. Las reacciones en este proceso fueron elaboradas por Melvin Calvin (que se muestra a continuación).
Ernest Orlando Lawrence, Laboratorio Nacional de Berkeley.
Una de las nuevas áreas, cultivada tanto en Donner como en el Antiguo Laboratorio de Radiación, fue el estudio de compuestos orgánicos marcados con carbono-14. Melvin Calvin se hizo cargo de este trabajo al final de la guerra con el fin de proporcionar materias primas para las investigaciones de John Lawrence y para su propio estudio de la fotosíntesis. Utilizando el carbono 14, disponible en abundancia en los reactores de Hanford, y las nuevas técnicas de intercambio iónico, cromatografía de papel y radioautografía, Calvin y sus muchos asociados mapearon la ruta completa del carbono en la fotosíntesis. El logro lo llevó al premio Nobel de química en 1961. (La información anterior fue extraída del texto de la edición de otoño de 1981 de LBL Newsmagazine.) Leyenda de la cita: LBL News, Vol.6, No.3, otoño de 1981 Se muestra Melvin Calvin con algunos de los aparatos que usó para estudiar el papel del carbono en la fotosíntesis “.
Los primeros pasos en el ciclo de Calvin.
El primer producto estable del ciclo de Calvin es el isfosfoglicerato (PGA), un producto químico 3-C. La energía de los portadores de ATP y NADPHenergy generada por los fotosistemas se utiliza para unir fosfatos a (fosforilar) el PGA. Finalmente, hay 12 moléculas de gliceraldehído fosfato (también conocido como fosfogliceraldehído o PGAL, un 3-C), dos de las cuales se eliminan del ciclo para producir una glucosa. Las moléculas de PGAL restantes se convierten mediante la energía de ATP para reformar las moléculas de 6RuBP, y así comenzar el ciclo nuevamente. Recuerde la complejidad de la vida, cada reacción en este proceso, como en el Ciclo de Kreb, es catalizada por una enzima diferente específica de la reacción.
Ruta C-4:
Algunas plantas han desarrollado un paso preliminar al Ciclo de Calvin (que también se conoce como una ruta C-3), este paso de preámbulo se conoce como C-4. Mientras que la mayoría de la fijación de C comienza con RuBP, C-4 comienza con una nueva molécula, el fosfoenolpiruvato (PEP), un producto químico 3-C que se convierte en ácido oxaloacético (OAA, un producto químico 4-C) cuando el dióxido de carbono se combina con PEP. . El OAA se convierte en ácido málico y luego se transporta desde la célula temática a la célula de la vaina del paquete, donde el OAA se divide en PEP más dióxido de carbono. Luego, el dióxido de carbono ingresa en el ciclo de Calvin, y la PEP regresa a la célula mesófila. Los azúcares resultantes ahora están adyacentes a las venas de las hojas y se pueden transportar fácilmente por toda la planta.
La fotosíntesis C-4 implica la separación de la fijación de carbono y la sístesis de carbohidratos en el espacio y el tiempo.
La captura de dióxido de carbono por PEP está mediada por la enzima PEP carboxilasa, que tiene una afinidad más fuerte por el dióxido de carbono que la RuBP carboxilasa. Cuando los niveles de dióxido de carbono disminuyen por debajo del umbral de la RuBP carboxilasa, la RuBP se cataliza con oxígeno en lugar de dióxido de carbono. El producto de esa reacción forma ácido glicólico, una sustancia química que se puede descomponer por fotorrespiración, que no produce NADH ni ATP, al desmantelar el ciclo de Calvin. Las plantas C-4, que a menudo crecen juntas, han tenido que adaptarse a niveles reducidos de dióxido de carbono al elevar artificialmente la concentración de dióxido de carbono en ciertas células para evitar la fotorrespiración. Las plantas C-4 evolucionaron en los trópicos y se adaptan a temperaturas más altas que las plantas C-3 que se encuentran en latitudes más altas. Las plantas comunes de C-4 incluyen pasto de cangrejo, maíz y caña de azúcar. Tenga en cuenta que la OAA y el ácido málico también tienen funciones en otros procesos, por lo que los productos químicos habrían estado presentes en todas las plantas, lo que llevó a los científicos a suponer que los mecanismos C-4 evolucionaron varias veces de forma independiente en respuesta a una condición ambiental similar, un tipo de evolución conocida Como evolución convergente.
Fotorrespiración.
Podemos ver diferencias anatómicas entre las hojas C3 y C4.
Anatomía de la hoja de una planta C3 (arriba) y C4 (abajo).
El ciclo del carbono :
Las plantas pueden verse como sumideros de carbono, eliminando el dióxido de carbono de la atmósfera y los océanos al fijarlo en productos químicos orgánicos. Las plantas también producen algo de dióxido de carbono por su respiración, pero esto es usado rápidamente por la fotosíntesis. Las plantas también convierten la energía de la luz en energía química de los enlaces covalentes de CC. Los animales son productores de dióxido de carbono que obtienen su energía de los carbohidratos y otros productos químicos producidos por las plantas mediante el proceso de fotosíntesis.
El equilibrio entre la eliminación de dióxido de carbono de la planta y la generación de dióxido de carbono animal se iguala también por la formación de carbonatos en los océanos. Esto elimina el exceso de dióxido de carbono del aire y el agua (ambos están en equilibrio con respecto al dióxido de carbono). Los combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón, así como los combustibles más recientes, como la turba y la madera, generan dióxido de carbono cuando se queman. Los combustibles fósiles se forman en última instancia por procesos orgánicos y representan también un tremendo sumidero de carbono. La actividad humana ha aumentado considerablemente la concentración de dióxido de carbono en el aire. Este aumento ha llevado al calentamiento global, un aumento de las temperaturas en todo el mundo, el efecto invernadero. El aumento en el dióxido de carbono y otros contaminantes en el aire también ha llevado a la lluvia ácida, donde el agua cae a través del aire contaminado y se combina químicamente con el dióxido de carbono, los óxidos nitrosos y los óxidos de azufre, lo que produce precipitaciones con un pH tan bajo como 4. mata y cambia el pH del suelo, lo que puede alterar la vegetación natural y los usos de la tierra. El problema del calentamiento global puede provocar el derretimiento de las capas de hielo en Groenlandia y la Antártida, elevando el nivel del mar hasta 120 metros. Los cambios en el nivel del mar y la temperatura afectarían los cambios climáticos, alterando los cinturones de producción de granos y los patrones de lluvia.
Fuente: FOTOSÍNTESIS
