Contenido
- ¿Qué es la fotosíntesis?
- Ecuación de la fotosíntesis
- Fotosíntesis vs. Respiración Celular
- La estructura de las plantas.
- Estructura de la célula vegetal.
- El cloroplasto
- Las reacciones a la luz
- Las reacciones oscuras
- Entra Rubisco
La fotosíntesis puede ser defendida como la reacción más importante en toda la biología. Examine cualquier red alimenticia o sistema de flujo de energía en el mundo, y descubrirá que, en última instancia, depende de la energía del sol para las sustancias que sostienen a los organismos. Los animales dependen tanto de los nutrientes a base de carbono (carbohidratos) como del oxígeno que genera la fotosíntesis, porque incluso los animales que obtienen todo su alimento al aprovecharse de otros animales terminan comiendo organismos que ellos mismos viven mayor o exclusivamente de plantas.
De la fotosíntesis fluye así todos los demás procesos de intercambio de energía observados en la naturaleza. Al igual que la glucólisis y las reacciones de la respiración celular, la fotosíntesis tiene una serie de pasos, enzimas y aspectos únicos a considerar, y comprender los roles que juegan los catalizadores específicos de la fotosíntesis en lo que equivale a la conversión de luz y gas en alimentos es fundamental para dominar bioquímica básica
¿Qué es la fotosíntesis?
La fotosíntesis tuvo algo que ver con la producción de lo último que comiste, sea lo que sea. Si se basó en plantas, el reclamo es sencillo. Si se trataba de una hamburguesa, la carne casi seguramente provenía de un animal que subsistía casi por completo de plantas. Visto de manera algo diferente, si el sol se apagara solo hoy sin hacer que el mundo se enfríe, lo que llevaría a que las plantas escaseen, el suministro de alimentos del mundo pronto desaparecería; Las plantas, que claramente no son depredadores, se encuentran en la parte inferior de cualquier cadena alimentaria.
La fotosíntesis se divide tradicionalmente en reacciones de luz y reacciones de oscuridad. Ambas reacciones en la fotosíntesis juegan papeles críticos; los primeros dependen de la presencia de luz solar u otra energía luminosa, mientras que los segundos no dependen sino de los productos de la reacción de la luz para tener sustrato con el que trabajar. En las reacciones de luz, se forman las moléculas de energía que la planta necesita para ensamblar los carbohidratos, mientras que la síntesis de carbohidratos se produce en las reacciones oscuras. Esto es similar en algunos aspectos a la respiración aeróbica, donde el ciclo de Krebs, aunque no es una fuente directa importante de ATP (trifosfato de adenosina, la "moneda energética" de todas las células), genera una gran cantidad de moléculas intermedias que impulsan la creación de un gran cantidad de ATP en las posteriores reacciones en cadena de transporte de electrones.
El elemento crítico en las plantas que les permite realizar la fotosíntesis es clorofila, una sustancia que se encuentra en estructuras únicas llamadas cloroplastos.
Ecuación de la fotosíntesis
La reacción neta de la fotosíntesis es en realidad muy simple. Se afirma que El dióxido de carbono y el agua, en presencia de energía luminosa, se convierten en glucosa y oxígeno durante el proceso..
6 CO2 + luz + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
La reacción general es una suma de reacciones de luz y el reacciones oscuras de fotosíntesis:
Reacciones de luz: 12 H2O + luz → O2 + 24 H+ + 24e−
Reacciones oscuras: 6CO2 + 24 H+ + 24 e− → C6H12O6 + 6 H2O
En resumen, las reacciones a la luz utilizan la luz solar para asustar a los electrones que la planta luego canaliza para producir alimentos (glucosa). La forma en que esto ocurre en la práctica ha sido bien estudiada y es un testimonio de miles de millones de años de evolución biológica.
Fotosíntesis vs. Respiración Celular
Un error común entre las personas que estudian ciencias de la vida es que la fotosíntesis es simplemente respiración celular a la inversa. Esto es comprensible, dado que la reacción neta de la fotosíntesis se parece a la respiración celular, comenzando con la glucólisis y terminando con los procesos aeróbicos (ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones) en las mitocondrias, que se ejecutan precisamente en reversa.
Sin embargo, las reacciones que transforman el dióxido de carbono en glucosa en la fotosíntesis son muy diferentes de las que se usan para reducir la glucosa de nuevo a dióxido de carbono en la respiración celular. Tenga en cuenta que las plantas también utilizan la respiración celular. Los cloroplastos no son "las mitocondrias de las plantas"; Las plantas también tienen mitocondrias.
Piense en la fotosíntesis como algo que ocurre principalmente porque las plantas no tienen bocas, pero aún dependen de la quema de glucosa como nutriente para hacer su propio combustible. Si las plantas no pueden ingerir glucosa y aún así requieren un suministro constante de ella, entonces tienen que hacer lo que parece imposible y hacerlo por sí mismas. ¿Cómo hacen las plantas la comida? Usan luz externa para conducir pequeñas plantas de energía dentro de ellas para hacerlo. Que puedan hacerlo depende en gran medida de cómo están realmente estructurados.
La estructura de las plantas.
Las estructuras que tienen una gran superficie en relación con su masa están bien posicionadas para capturar una gran parte de la luz solar que pasa a su paso. Por eso las plantas tienen hojas. El hecho de que las hojas tienden a ser la parte más verde de las plantas es el resultado de la densidad de clorofila en las hojas, ya que aquí es donde se realiza el trabajo de fotosíntesis.
Las hojas tienen poros evolucionados en sus superficies llamadas estomas (singular: estoma). Estas aberturas son los medios por los cuales la hoja puede controlar la entrada y salida de CO2, que se necesita para la fotosíntesis, y O2, que es un producto de desecho del proceso. (Es contradictorio pensar que el oxígeno es un desperdicio, pero en este contexto, estrictamente hablando, eso es lo que es).
Estos estomas también ayudan a la hoja a regular su contenido de agua. Cuando el agua es abundante, las hojas son más rígidas e "infladas" y los estomas tienden a permanecer cerrados. Por el contrario, cuando el agua es escasa, los estomas se abren en un esfuerzo por ayudar a la hoja a alimentarse.
Estructura de la célula vegetal.
Las células vegetales son células eucariotas, lo que significa que tienen las cuatro estructuras comunes a todas las células (ADN, una membrana celular, citoplasma y ribosomas) y una serie de orgánulos especializados. Sin embargo, las células vegetales, a diferencia de las células animales y otras células eucariotas, tienen paredes celulares, como las bacterias, pero construidas con diferentes productos químicos.
Las células vegetales también tienen núcleos, y sus orgánulos incluyen las mitocondrias, el retículo endoplásmico, los cuerpos de Golgi, el citoesqueleto y las vacuolas. Pero la diferencia crítica entre las células vegetales y otras células eucariotas es que las células vegetales contienen cloroplastos.
El cloroplasto
Dentro de las células vegetales hay orgánulos llamados cloroplastos. Al igual que las mitocondrias, se cree que estos se incorporaron a organismos eucariotas relativamente temprano en la evolución de los eucariotas, con la entidad destinada a convertirse en un cloroplasto que luego existe como un procariota independiente que realiza la fotosíntesis.
El cloroplasto, como todos los orgánulos, está rodeado por una doble membrana plasmática. Dentro de esta membrana está el estroma, que funciona como el citoplasma de los cloroplastos. También dentro de los cloroplastos hay cuerpos llamados tilacoides, que están dispuestos como pilas de monedas y encerrados por una membrana propia.
La clorofila se considera "el" pigmento de la fotosíntesis, pero hay varios tipos diferentes de clorofila, y los pigmentos distintos de la clorofila también participan en la fotosíntesis. El principal pigmento utilizado en la fotosíntesis es la clorofila A. Algunos pigmentos no clorofílicos que participan en procesos fotosintéticos son de color rojo, marrón o azul.
Las reacciones a la luz
Las reacciones a la luz de la fotosíntesis utilizan la energía de la luz para desplazar los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua, con estos átomos de hidrógeno, impulsados por el flujo de electrones finalmente liberados por la luz entrante, que se utilizan para sintetizar NADPH y ATP, que son necesarios para las reacciones oscuras posteriores.
Las reacciones a la luz ocurren en la membrana tilacoidea, dentro del cloroplasto, dentro de la célula vegetal. Se ponen en marcha cuando la luz incide en un complejo de proteína y clorofila llamado fotosistema II (PSII). Esta enzima es la que libera los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua. El oxígeno en el agua es libre, y los electrones liberados en el proceso se unen a una molécula llamada plastoquinol, convirtiéndola en plastoquinona. Esta molécula a su vez transfiere los electrones a un complejo enzimático llamado citocromo b6f. Este ctyb6f toma los electrones de la plastoquinona y los mueve a la plastocianina.
En este punto, fotosistema I (PSI) se pone a trabajar. Esta enzima toma los electrones de la plastocianina y los une a un compuesto que contiene hierro llamado ferredoxina. Finalmente, una enzima llamada ferredoxina-NADP+reductasa (FNR) para hacer NADPH a partir de NADP+. No es necesario que memorice todos estos compuestos, pero es importante tener una idea de la naturaleza en cascada de las reacciones involucradas.
Además, cuando PSII está liberando hidrógeno del agua para alimentar las reacciones anteriores, parte de ese hidrógeno tiende a querer dejar el tilacoide hacia el estroma, bajando su gradiente de concentración. La membrana tilacoide aprovecha este flujo de salida natural al utilizarla para alimentar una bomba de ATP sintasa en la membrana, que une las moléculas de fosfato al ADP (difosfato de adenosina) para producir ATP.
Las reacciones oscuras
Las reacciones oscuras de la fotosíntesis se llaman así porque no dependen de la luz. Sin embargo, pueden ocurrir cuando hay luz presente, por lo que un nombre más preciso, aunque más engorroso, es "reacciones independientes de la luz"Para aclarar aún más las cosas, las reacciones oscuras se conocen juntas también como la ciclo de Calvin.
Imagine que, al inhalar aire en sus pulmones, el dióxido de carbono en ese aire podría llegar a sus células, que luego lo usarían para producir la misma sustancia que resulta de que su cuerpo descomponga los alimentos que come. De hecho, debido a esto, nunca tendrías que comer en absoluto. Esta es esencialmente la vida de una planta, que utiliza el CO2 se recolecta del medio ambiente (que está allí en gran parte como resultado de los procesos metabólicos de otros eucariotas) para producir glucosa, que luego almacena o quema para sus propias necesidades.
Ya has visto que la fotosíntesis comienza liberando átomos de hidrógeno del agua y usando la energía de esos átomos para producir algo de NADPH y algo de ATP. Pero hasta ahora, no se ha mencionado la otra entrada en la fotosíntesis, el CO2. Ahora verá por qué todo ese NADPH y ATP se cosecharon en primer lugar.
Entra Rubisco
En el primer paso de las reacciones oscuras, el CO2 se une a un derivado de azúcar de cinco carbonos llamado ribulosa 1,5-bisfosfato. Esta reacción es catalizada por la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa / oxigenasa, mucho más memorablemente conocida como Rubisco. Se cree que esta enzima es la proteína más abundante en el mundo, dado que está presente en todas las plantas que se someten a la fotosíntesis.
Este intermedio de seis carbonos es inestable y se divide en un par de moléculas de tres carbonos llamadas fosfoglicerato. Estos son luego fosforilados por una enzima quinasa para formar 1,3-bisfosfoglicerato. Esta molécula se convierte luego en gliceraldehído-3-fosfato (G3P), liberando moléculas de fosfato y consumiendo NAPDH derivado de las reacciones a la luz.
El G3P creado en estas reacciones se puede colocar en varias vías diferentes, lo que resulta en la formación de glucosa, aminoácidos o lípidos, dependiendo de las necesidades específicas de las células vegetales. Las plantas también sintetizan polímeros de glucosa que en la dieta humana aportan almidón y fibra.