11.2: Luz y Fotosíntesis (2024)

Las plantas son autótrofas, lo que significa que son autonutritivas (autos griegos = auto y trophe = nutrición). Específicamente, las plantas son fotoautótrofas, porque utilizan la energía de la luz para producir moléculas orgánicas con las que construyen sus células y almacenan energía.

Las moléculas orgánicas son compuestos asociados con organismos vivos que contienen átomos de carbono. Alguna vez se pensó que las moléculas orgánicas solo podían ser sintetizadas en la naturaleza por organismos vivos a través de la intervención de una “fuerza vital”. Esta hipótesis fue desmentida en 1828 cuando la urea, un simple compuesto orgánico, se sintetizó en un laboratorio. Desde entonces, una rama importante de la química, la química orgánica, ha surgido para estudiar y sintetizar moléculas orgánicas. A diferencia de los compuestos orgánicos, los compuestos inorgánicos se definieron históricamente como aquellos minerales sin vida que son desenterrados del suelo.

Nótese que esta definición química de orgánico (que contiene átomos de carbono) tiene poca o ninguna relación con el uso contemporáneo de la palabra para describir un método de producción de alimentos. La producción de alimentos orgánicos, por regulación, se basa estrictamente en insumos de moléculas orgánicas que provienen de la vida (como el estiércol) y también en compuestos inorgánicos como los minerales, y anula el uso de moléculas orgánicas que han sido sintetizadas por los humanos.

Las moléculas orgánicas que produce una planta deben ser:

• Almacenable dentro de la planta.
• Metabolizado por la planta para producir energía para su uso en crecimiento, mantenimiento y producción de otras moléculas orgánicas requeridas.
• razonablemente compacto para que se pueda almacenar suficiente energía para el crecimiento.
• Transportable dentro de la planta.
• Estable y no tóxico para la planta.

Dado que las plantas son fotoautótrofas, deben tener un mecanismo para capturar energía del sol u otras fuentes de luz y usar esa energía para producir moléculas orgánicas con las características señaladas anteriormente. La fotosíntesis es el proceso en el que se basan los fotoautótrofos para capturar esa energía lumínica y producir moléculas orgánicas basadas en carbono. El carbono utilizado para elaborar estas moléculas proviene del dióxido de carbono (CO ₂) en la atmósfera. Debido a que la fotosíntesis elimina el carbono de la atmósfera y lo incorpora en moléculas orgánicas que eventualmente se convierten en las hojas, tallos, raíces y frutos de la planta, a veces se dice que la fotosíntesis fija el carbono. Arreglar, en este sentido, significa asegurar o secuestrar en lugar de reparar.

Si sigues el discurso público sobre el cambio climático, eres consciente de que el calentamiento global se acelera por la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera que atrapan y re-irradian la luz solar y el calor de regreso a la tierra. El CO ₂ es uno de estos gases de invernadero. La eliminación del CO ₂ de la atmósfera, por ejemplo plantando árboles que fotosintetizan, fijan carbono y almacenan el producto rico en carbono como madera, es un método de secuestro de carbono. Una estrategia emergente y cada vez más popular para remediar las emisiones de gases de efecto invernadero es a través de la compra y venta de créditos de carbono, donde las industrias que descargan CO ₂ a la atmósfera compran créditos de organizaciones cuyas actividades (como la plantación de árboles) secuestran carbono. La fotosíntesis y secuestro de carbono por árboles es una herramienta utilizada para compensar la liberación industrial de CO ₂.

Empecemos con la luz, porque ahí es donde la planta obtiene la energía para la fotosíntesis. Estas son algunas características de la luz:

• La luz viaja en olas.
• La longitud de la onda se mide de un pico a otro y se llama la longitud de onda, que difiere para diferentes colores de luz.

  

• Dentro de las longitudes de onda visibles de la luz, las longitudes de onda más largas son la luz roja; fuera del rango visible de longitudes de onda, incluso las longitudes de onda más largas incluyen radiación infrarroja, microondas y ondas de radio.
• Las longitudes de onda visibles más cortas incluyen luz azul y púrpura, y más allá del rango visible, incluso las longitudes de onda más cortas incluyen luz UV, rayos X y rayos gamma
• La luz también tiene una naturaleza particulada, y esas partículas se llaman fotones.

Los fotones en la luz proporcionan la energía que impulsa la fotosíntesis. Esta energía se utiliza para incorporar el carbono que se encuentra en el CO ₂ de la atmósfera en moléculas orgánicas y, en particular, en azúcares simples utilizados por la planta. La fórmula química es la misma para los dos tipos de azúcares simples producidos por la fotosíntesis: glucosa y fructosa: C ₆ H ₁₂ O ₆. La ecuación que resume la fotosíntesis es:

agua + dióxido de carbono -> oxígeno, agua y azúcares simples

12H ₂ 0 + 6CO ₂ -> 6O ₂ + 6H ₂ O + C ₆ H ₁₂ O ₆

Esta ecuación equilibrada nos dice que 12 moléculas de agua más 6 moléculas de dióxido de carbono, en presencia de clorofila, pigmentos accesorios y luz, producen 6 moléculas de gas oxígeno, devuelve 6 moléculas de agua a la célula y produce una molécula de un azúcar simple como la glucosa o la fructosa.

Dos reacciones conforman la fotosíntesis: la Reacción de la Luz (abreviada LR) y la Reacción Independiente de la Luz (abreviada LIR). Como sugieren los nombres, el LR requiere luz mientras que el LIR no. El LR utiliza energía luminosa para dividir el agua, lo que transforma la energía del sol en iones de hidrógeno y electrones. El LIR usa esa energía para agarrar el carbono del dióxido de carbono y usar el carbono para construir azúcares simples.

Empecemos con la reacción de la luz. Has oído hablar de la clorofila, y tal vez reconozcas a esta molécula como un pigmento verde que captura la luz para la fotosíntesis. Hay dos pigmentos de clorofila en las plantas que son críticos para absorber la luz: Clorofila a y Clorofila b.

La gráfica anterior muestra% de absorbancia de diferentes longitudes de onda por estas dos clorofilas. El eje Y (el vertical) muestra el porcentaje de la luz que se absorbe (en lugar de reflejarse). Los altos niveles de absorción significan que la molécula de clorofila utiliza esa longitud de onda de luz para obtener energía. Baja absorción significa que la molécula no usa esa longitud de onda, y por lo tanto se refleja. El eje X indica la longitud de onda de la luz en nanómetros (nm) (la longitud de onda de la luz verde, aproximadamente 500 nm). La barra en la parte superior representa el color de la luz a la longitud de onda mostrada. La línea azul es una curva de absorción típica para la clorofila a, mientras que la línea verde muestra clorofila b.

La alta absorbancia a una longitud de onda particular significa que el pigmento está recolectando esa luz a esa longitud de onda para recolectar energía. Baja absorbancia significa que la planta está reflejando esa luz hacia atrás. Tanto la clorofila a como la b absorben las longitudes de onda de la luz azul y roja y reflejan el verde. La clorofila a tiene un pico en las regiones violeta y roja y clorofila b en las regiones azul y naranja. Observe como su absorbancia es muy baja en la región verde. Por eso pensamos en la clorofila como verde, y por eso percibimos las hojas, que tienen la clorofila como pigmento predominante, como verdes. También note que la clorofila refleja algunas longitudes de onda amarillas, pero cuando se mezclan las longitudes de onda amarilla y verde oscuro, vemos el color verde de la hoja.

La gráfica anterior muestra la absorbancia de los pigmentos carotenoides, los cuales están presentes a lo largo de la temporada de crecimiento. Los carotenoides se denominan pigmento accesorio en la fotosíntesis. Ayudan a la clorofila en la captura de luz y transferencia de energía, y contribuyen a la regulación y moderación de la excitación excesiva de las moléculas de pigmento durante la intensa luz solar, incluida la exposición a la luz UV. Los carotenoides absorben la luz en el rango verde, pero se reflejan en amarillo y rojo. No vemos estos pigmentos durante la temporada de crecimiento porque tienen una concentración mucho menor que las clorofilas, por lo que la luz verde reflejada abruma a la naranja, y vemos verde. Pero cuando la clorofila se desvanece en el otoño, debido a la descomposición de la clorofila, la naranja se puede ver en hermosos colores de hojas otoñales.

La clorofila a y b, así como los pigmentos accesorios, se encuentran en los cloroplastos, que son orgánulos unidos a membrana dentro de las células. La mayor concentración de cloroplastos se encuentra más comúnmente en las células mesófilas empalizadas de la hoja.

La ilustración anterior de un cloroplasto marca las estructuras internas. El cloroplasto tiene una doble membrana. El interior del cloroplasto se llama estroma. Dentro del estroma se encuentran tilacoides similares a monedas. Las pilas de tilacoides se llaman grana. Los tilacoides también están rodeados por una membrana, llamada membrana tilacoidea. El pigmento verde de clorofila que asocias con la fotosíntesis, así como los pigmentos accesorios, están incrustados en las membranas tilacoides y dispuestos en una estructura llamada complejo de antenas, dado este nombre porque captura y enruta la energía de la luz solar a un colector llamado centro de reacción.

Como se muestra anteriormente, cuando la luz golpea una molécula de pigmento en el complejo de antenas, la energía del fotón de luz promueve (empuja hacia arriba) un electrón en uno de los átomos del pigmento a un orbital superior como se ve en la caricatura y se gana energía.

El electrón no puede permanecer indefinidamente en ese orbital superior, y cuando vuelve a caer a su orbital natal libera la energía que absorbió de la luz, denotada como pérdida de energía. Esta energía liberada se puede pasar a otra molécula de pigmento. Este proceso de un pigmento capturando la energía del fotón y pasando esa energía a moléculas de pigmento adyacentes es el paso crucial en la transformación de energía que tiene lugar en la fotosíntesis. Este es el paso que toma la energía luminosa y la convierte en energía química —uno de los únicos procesos biológicos conocidos que permite este tipo de transformación energética.

Un fotón de luz excita un electrón de una molécula de pigmento en el complejo de antena, o complejo de recolección de luz, y por resonancia esta energía se transfiere de molécula de pigmento a molécula de pigmento La transferencia de energía se abre camino al centro de reacción, donde la primera reacción química importante en se lleva a cabo la fotosíntesis — dividiendo el agua. Esta reacción se llama reacción de luz o reacción dependiente de la luz porque requiere luz. El agua se divide cuando el centro de reacción agarra electrones del agua, lo que separa el agua en gas oxígeno (O ₂), iones de hidrógeno (H ⁺) y electrones (e ^—).

Para reiterar, la luz es capturada por el complejo de captación de luz (complejo de antenas) donde los electrones en los átomos de clorofila se excitan y saltan hasta un orbital superior. Cuando el electrón retrocede, la energía se transfiere a un átomo de pigmento adyacente. Esta energía de resonancia viaja por el complejo de antenas hasta el centro de reacción, donde la energía capturada extrae electrones de las moléculas de agua, y el agua se divide en gas oxígeno, iones de hidrógeno y electrones. La energía que estuvo presente en los fotones de luz ha sido transferida a los iones hidrógeno y a los electrones. Veremos más de cómo se usa esa energía en la siguiente sección.

Recordemos que la ecuación general para la fotosíntesis es:

agua + dióxido de carbono -> oxígeno, agua y azúcares simples

12H ₂ 0 + 6CO ₂ -> 6O ₂ + 6H ₂ O + C ₆ H ₁₂ O ₆

Esta ecuación se compone de dos partes llamadas medias reacciones. La primera media reacción es una ecuación que resume la Reacción de la Luz, donde la energía de la luz solar se utiliza para dividir las moléculas de agua en gas oxígeno, algunos electrones y algunos iones de hidrógeno. La energía de la luz solar se transfiere de los pigmentos a estos iones de hidrógeno y electrones. La semirreacción para la Reacción de Luz es la siguiente:

12H ₂ O -> 6O ₂ + 24e ^— + 24H ⁺

La reacción independiente de la luz (LIR) es la segunda parte de la fotosíntesis. Se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto. A diferencia de la Reacción de la Luz, no requiere luz. En el LIR, dos compuestos, NADPH y ATP, transportan la energía de la luz que originalmente se transformó en iones de hidrógeno y electrones a través de la división del agua. El NADPH y el ATP, junto con el dióxido de carbono de la atmósfera, entran en un proceso llamado Ciclo Calvino, donde la energía se utiliza para fijar el carbono en una molécula abreviada G3P. Este proceso requiere la ayuda de una importante proteína abreviada RubiSco (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa) que cataliza la etapa en el proceso donde el carbono del CO ₂ atmosférico se incorpora a una molécula orgánica. RubisCO es la proteína más abundante en las hojas y, dada la cantidad de hojas en el mundo, probablemente la proteína más abundante del planeta. El G3P producido por el proceso de fijación de carbono se llama fosfato de triosa, lo que significa que es un azúcar de 3 carbonos (triosa) con átomos de fósforo y oxígeno (fosfato) unidos. El fosfato de triosa sale del cloroplasto hacia el citoplasma de la célula mesófila, donde dos de estas moléculas de tres carbonos se combinan para producir las moléculas de 6 carbonos glucosa y fructosa. Las moléculas de glucosa y fructosa se combinan para formar sacarosa, una molécula orgánica de 12 carbonos. La sacarosa es importante porque es el azúcar que es transportado por el floema por toda la planta para proporcionar energía y bloques de construcción para otras moléculas orgánicas como el almidón y la celulosa.

La media reacción para el LIR es:

24H ⁺ 24e ^— + 6CO ₂ -> C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6H ₂ O

Cuando sumamos las dos ecuaciones de media reacción para LR y LIR juntas, volvemos a la ecuación resumida para la fotosíntesis:

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

La ilustración anterior es un resumen de lo que sucede en una célula mesófila. El contorno rectangular azul representa una célula mesófila empalizada en una hoja. Dentro de la celda hay un rectángulo verde, que representa un cloroplasto. Dentro del cloroplasto se encuentra una pila de óvalos verdes con puntos negros. Estos óvalos son los tilacoides, y las pilas son grana. Los puntos negros en la membrana tilacoidea verde representan los complejos de antena. La luz golpea el complejo de la antena y transfiere su energía a pigmentos, y la energía se canaliza al centro de reacción donde el agua (H ₂ O) se divide en la reacción de la luz para formar los portadores de energía ATP y NADPH. Esta es la Reacción de la Luz. El producto de desecho que se forma en esta etapa es el oxígeno, que podría ser un desperdicio para la planta, pero es bastante útil para nosotros.

En la Reacción Independiente de la Luz la energía es transportada al Ciclo Calvino, representado por la estrella multipuntiaguda en el cloroplasto, que utiliza la energía en ATP, el NADPH y CO ₂ de la atmósfera para formar el fosfato de triosa G3P de tres carbonos con la ayuda de RubiSco. El fosfato de triosa abandona el cloroplasto y pasa al citoplasma de la célula mesófila para transformarse en glucosa y fructosa, las cuales se combinan en sacarosa que se exporta de la célula mesófila al floema.

Dentro de una planta, las regiones de fotosíntesis y producción de azúcar se llaman la fuente. Las hojas suelen ser la fuente principal dentro de la planta, ya que ahí es donde tiene lugar la mayor parte de la fotosíntesis. Aquellas regiones que no soportan la fotosíntesis (como raíces), pero que aún necesitan moléculas orgánicas para sobrevivir, se llaman sumideros. El movimiento de solutos (moléculas disueltas en agua) como la sacarosa desde la fuente hasta el hundimiento a través del floema se llama translocación. La translocación de sacarosa a través del floema hacia el sumidero proporciona a las células una fuente de energía almacenada, y también bloques de construcción para moléculas orgánicas, como se señaló anteriormente. La sacarosa se puede descomponer en glucosa y fructosa, bloques de construcción utilizados para formar otros compuestos orgánicos extremadamente útiles. Dos compuestos particularmente útiles resultan de la producción de cadenas largas de glucosa: el almidón, un compuesto clave de almacenamiento de energía en las células vegetales, y la celulosa, el principal constituyente de la pared celular y clave para la integridad estructural de una planta. La madera, por ejemplo, se compone principalmente de las paredes celulares ricas en celulosa del xilema muerto. Tanto el almidón como la celulosa son cadenas largas de glucosa, pero difieren en la forma en que las moléculas de glucosa están unidas entre sí.

La celulosa es la molécula en la que se secuestra el carbono extraído del CO ₂ atmosférico para su almacenamiento a largo plazo. El almidón secuestra carbono por un período de tiempo mucho más corto porque es consumido, utilizado por la planta para un nuevo crecimiento, o descompuesto por bacterias y hongos que pueden utilizar el almidón para obtener energía.

• En la reacción de la luz, los pigmentos en la membrana tilacoidea capturan energía de la luz solar.
• La energía se utiliza para dividir el agua, que libera oxígeno a la atmósfera.
• La energía utilizada para dividir el agua se transfiere a electrones y átomos de hidrógeno, y eventualmente a ATP y NADPH.
• En la reacción independiente de la luz, el ATP y el NADPH potencian el ciclo Calvin que captura el carbono del CO ₂ atmosférico y lo incorpora en moléculas de azúcar simples.
• Estos azúcares simples se pueden trasladar a sumideros, donde se utilizan para obtener energía, se convierten en compuestos de almacenamiento de energía o se convierten en moléculas estructurales.

Algunas de las explicaciones e imágenes utilizadas en esta conferencia provinieron de Introducción a la fotosíntesis y otras páginas de ese sitio de McDaniel College. Para explicaciones adicionales, una visión general de las reacciones químicas de la fotosíntesis, y otra descripción de las propiedades de la luz y los pigmentos, navegue a las páginas listadas en la parte superior de esa página web.