Bioquímica de la fotosíntesis – Biología Biología 1 Desde el punto de vista bioquímico, la fotosíntesis se lleva a cabo principalmente dentro de los cloroplastos de las células de plantas, plant as, algas, organismos unicelulares, o bien, dentro de una bacteria fotosintética. Un factor fundamental para que este proceso pueda llevarse a cabo es la luz, ésta es captada por las plantas a través de la clorofila y de otros pigmentos fotosintéticos, al observar diversas plantas en un bosque se puede notar que no todas tienen el mismo color Algunas plantas son: -Verde -Verde oscuro -Verde claro -Amarillas -Rojizas -Pardas. Lo anterior se debe a la diversidad de pigmentos y a la p roporción en que se encuentren en cada una de ellas, los pigmentos pig mentos fotosintéticos son: -La clorofila a -La clorofila b (verdes) -Los carotenos (rojos, naranjas) -Las xantofilas (amarillas) -La ficocianina (azul) -La ficoeritrina (roja) -La bacterioclorofila, que está en las bacterias fotosintéticas. Para saber la razón de porque tantos pigmentos, es necesario saber algunas propiedades de la luz, si se pasa un haz de luz por un prisma, ésta se descompone en v arios colores o, más propiamente dicho, en luz con diversas longitudes de onda. La clorofila capta ciertas longitudes de onda, principalmente las que corresponden al violeta y al azul, y también al rojo, con esto tenemos que la clorofila entonces es verde porque refleja refleja y no absorbe la luz verde, así como los distintos pigmentos pigmentos absorben energía luminosa de distintas longitudes de onda y se la transfieren a la clorofila
Esto aumenta la eficiencia del proceso, es como por ejemplo contar con un equipo de antenas para captar distintas señales de televisión.
En los cloroplastos, los distintos pigmentos se encuentran formando complejos de antena llamados fotosistemas I y II, en los que predomina la clorofila a, la cual forma el centro de reacción. El proceso fotosintético se inicia cuando las moléculas de clorofila captan la luz, se debe considerar que la fotosíntesis se divide en dos etapas o fases:
Fase luminosa o dependiente de la luz.
En la primera fase, los fotones o cuantos de luz excitan a los electrones de la clorofila del fotosistema II y los elevan a un nivel altamente en ergético. Este proceso hace que salgan del complejo en el que estaban y viajen hacia las moléculas del fotosistema I
El regresar lentamente a su estado basal de energía, estos electrones impulsan la síntesis de ATP en las membranas del tilacoide de los cloroplastos.
Se debe mencionar que cuando se inicia el proceso, ha quedado un hueco en la molécula de clorofila del fotosistema II que perdió un electrón. Entonces se requiere de un donador de electrones y la molécula de agua cubre este requerimiento. Con esto se produce un proceso de fotólisis, es decir, la molécula de agua se rompe por la acción de la luz y es entonces cuando se libera oxígeno.
Los Iones H+ son captados por una molécula acarreadora, el NADPH (nicotiamida adenina dinucleótido fosfato), y los electrones cubren los huecos de la clorofila.
A manera de resumen, en esta fase se llevan a cabo los siguientes procesos: -Se excitan los electrones de la clorofila por efecto de la Iuz -Se produce ATP (para utilizarse en la fase oscura) -Se rompe la molécula de agua -Se libera oxígeno al ambiente -Se produce NADPH (para utilizarse en la fase oscura)
En el siguiente esquema se puede observar lo que pasa en la fase luminosa o dependiente de la luz del proceso fotosintético
Fase oscura o independiente de la luz
En esta fase de la fotosíntesis no se lleva a cabo en la oscuridad, ni de noche, se llama así porque cuando se inicia esta etapa ya se ha atrapado la energía solar en los enlaces del ATP y en el NADPH, de manera que el proceso ya no depende de la luz para realizarse Los ingredientes para elaborar una molécula de azúcar ya están listos y se llevan a cabo varias reacciones clínicas conocidas como ciclo de Calvin, en honor a su descubridor Para que esta etapa se lleve a cabo requiere de tres reactivos: -ATP (producido en la fase luminosa) -NADPH (producido en la fase luminosa) -CO2 (que la planta absorbe del aire) Este proceso se lleva a cabo en tres etapas: Primera etapa A esta etapa se le conoce como fijación del carbono El CO2 se combina con un compuesto de cinco carbonos llamado ribulosa difosfato (RDP) y se produce una molécula de seis carbonos.
Esta molécula es inestable, se rompe y da lugar a dos moléculas de ácido fosfoglicérico (PGA) En cada ciclo entran tres moléculas de CO2 por lo que se producen seis moléculas de PGA Segunda etapa: A partir del PGA, con el ATP y los hidrógenos del NAPDH se producen seis moléculas de fosfogliceraldehído (PGAL) Tercera etapa Cinco moléculas de PGAL regeneran la ribulosa difosfato y una es utilizada para la síntesis de glucosa. Para la producción de una molécula de glucosa se necesitan dos vueltas del ciclo.
Las reacciones se describen en el siguiente esquema, donde se señala la producción de glucosa, posteriormente, ésta puede ser transformada en la planta en sacarosa, almidones y otras biomoléculas, que serán aprovechadas por la misma planta como fuente de energía, así como por los animales
Descripción general del ciclo de Calvin En las plantas, el dióxido de carbono (\text {CO}_2CO 2C, O, start subscript, 2, end subscript) entra al interior de las hojas a través de unos poros llamados estomas y se difunde hacia el estroma del cloroplasto, el sitio en el cual se producen las reacciones del ciclo de Calvin, donde se sintetiza el azúcar. Estas reacciones también se llaman reacciones independientes de la luz , porque la luz no las causa directamente. En el ciclo de Calvin, los átomos de carbono del \text {CO}_2CO 2C, O, start subscript, 2, end subscript se fijan (se incorporan a moléculas orgánicas) y se utilizan para formar azúcares de tres carbonos. Este proceso es estimulado por el ATP y NADPH que provienen de las reacciones luminosas, y depende de ellos. A diferencia de las reacciones dependientes de la luz, que ocurren en la membrana tilacoidal, las reacciones del ciclo de Calvin ocurren en el estroma (espacio interior de los cloroplastos).
Reacciones del ciclo de Calvin Las reacciones del ciclo de Calvin se pueden dividir en tres etapas principales: fijación de carbono, reducción y regeneración de la molécula de partida. A continuación, un esquema general del ciclo:
Fijación del carbono. Una molécula de \text {CO}_2CO2C, O, start subscript, 2, end subscript se combina con una molécula aceptora de cinco carbonos, ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP). Este paso produce un compuesto de seis carbonos que se divide para formar dos
moléculas de un compuesto de tres carbonos, ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA). Esta reacción es catalizada por la enzima RuBP carboxilasa/oxigenasa o RUBisCO.
La primera etapa del ciclo de Calvin incorpora carbono del \text {CO}_2CO2C, O, start subscript, 2, end subscript en una molécula orgánica, un proceso llamado fijación de carbono . En las plantas, el \text {CO}_2CO2C, O, start subscript, 2, end subscript de la atmósfera entra en la capa mesófila de las hojas a través de los poros de la superficie de las mismas llamados estomas. Luego, puede difundirse en las células del mesófilo y en el estroma de los cloroplastos, donde ocurre el ciclo de Calvin.
En el primer paso del ciclo, una enzima apodada RUBisCO (RuBP carboxilasa-oxigenasa) cataliza la fijación de \text {CO}_2CO2C, O, start subscript, 2, end subscript a un azúcar de cinco carbonos llamada bifosfato de ribulosa (RuBP). Sin embargo, la molécula de 6
carbonos resultante es inestable y rápidamente se divide en dos moléculas de un compuesto de tres carbonos llamado 3-fosfoglicerato (3PGA). Así, por cada \text {CO}_2CO2C, O, start subscript, 2, end subscript que entra en el ciclo, se producen dos moléculas de 3-PGA. Las verdaderas estructuras moleculares se muestran a continuación:
Reducción. En la segunda etapa, el ATP y NADPH se utilizan para convertir las moléculas de 3-PGA en moléculas de azúcar de tres carbonos, gliceraldehído-3-fosfato ( G3P). Esta etapa se llama así, porque NADPH debe donar sus electrones o reducir a un intermediario de tres carbonos para formar el G3P. 1. Regeneración. Algunas moléculas de G3P se van para formar glucosa, mientras que otras deben reciclarse para regenerar el aceptor RuBP. La regeneración necesita ATP e implica una compleja serie de reacciones, que a mi profesor de biología de la preparatoria le gustaba llamar “secuencia desordenada de carbohidratos”. ^11start
superscript, 1, end
superscript Para que un G3P salga del ciclo (y se dirija a la síntesis de glucosa), tres moléculas de \text {CO}_2CO2C, O, start subscript, 2, end subscript deben entrar en el ciclo, lo que resulta en tres nuevos átomos de carbono fijo. Cuando tres moléculas de \text {CO}_2CO2C, O, start subscript, 2, end subscript entran en el ciclo, se producen seis moléculas de G3P. Una sale del ciclo y se utiliza para formar glucosa, mientras que
las otras cinco deben reciclarse para regenerar tres moléculas del aceptor RuBP.
Resumen de los reactivos y productos del ciclo de Calvin Se necesitan tres vueltas del ciclo de Calvin para crear una molécula de G3P que pueda salir del ciclo para formar glucosa. Resumamos las cantidades de moléculas clave que entran y salen del ciclo de Calvin a medida que se crea una molécula de G3P neta. En tres vueltas del ciclo de Calvin:
Carbono. 333 moléculas de \text {CO}_2CO2C, O, start subscript, 2,
end subscript se combinan con 333 aceptores RuBP, lo cual forma 666 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (G3P).
111 molécula de G3P sale del ciclo para formar glucosa. 555 moléculas de G3P se reciclan, lo cual regenera 333 moléculas aceptoras de RuBP.
ATP. 999 moléculas de ATP se convierten en 999 ADP (666 durante la
etapa de fijación y 333 durante la etapa de regeneración).
NADPH. 666 moléculas de NADPH se convierten en 666 moléculas de
NADP^++start superscript, plus, end superscript(durante la etapa de fijación).
Una molécula de G3P contiene tres átomos de carbono fijo, por lo que toma dos G3P para formar una molécula de glucosa de seis carbonos. Se necesitarían seis vueltas del ciclo, o 666 \text {CO}_2CO2C, O, start subscript, 2, end subscript , 181818 ATP y 121212 NADPH, para producir una molécula de glucosa.
