5.2: Las reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz
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¿Cómo se puede usar la luz para hacer alimentos? Es fácil pensar en la luz como algo que existe y permite que los organismos vivos, como los humanos, vean, pero la luz es una forma de energía. Como toda energía, la luz puede viajar, cambiar de forma y ser aprovechada para hacer el trabajo. En el caso de la fotosíntesis, la energía luminosa se transforma en energía química, que los autótrofos utilizan para construir moléculas de carbohidratos. Sin embargo, los autótrofos solo utilizan un componente específico de la luz solar (Figura\(\PageIndex{1}\)).
CONCEPT EN ACCIÓN
Mira el proceso de fotosíntesis dentro de una hoja en este video.
¿Qué es la energía de la luz?
El sol emite una enorme cantidad de radiación electromagnética (energía solar). Los humanos solo pueden ver una fracción de esta energía, que se conoce como “luz visible”. La manera en que viaja la energía solar puede describirse y medirse como ondas. Los científicos pueden determinar la cantidad de energía de una onda midiendo su longitud de onda, la distancia entre dos puntos consecutivos similares en una serie de ondas, como de cresta a cresta o de canal a canal (Figura\(\PageIndex{2}\)).
La luz visible constituye sólo uno de los muchos tipos de radiación electromagnética emitida por el sol. El espectro electromagnético es el rango de todas las longitudes de onda posibles de radiación (Figura\(\PageIndex{3}\)). Cada longitud de onda corresponde a una cantidad diferente de energía transportada.
Cada tipo de radiación electromagnética tiene un rango característico de longitudes de onda. Cuanto más larga es la longitud de onda (o cuanto más estirada aparece), menos energía se transporta. Las olas cortas y apretadas transportan la mayor cantidad de energía. Esto puede parecer ilógico, pero piénsalo en términos de un trozo de cuerda móvil. Se necesita poco esfuerzo de una persona para mover una cuerda en olas largas y anchas. Para hacer que una cuerda se mueva en olas cortas y apretadas, una persona necesitaría aplicar significativamente más energía.
El sol emite (Figura\(\PageIndex{3}\)) una amplia gama de radiación electromagnética, incluyendo rayos X y rayos ultravioleta (UV). Las ondas de mayor energía son peligrosas para los seres vivos; por ejemplo, los rayos X y los rayos UV pueden ser perjudiciales para los humanos.
Absorción de Luz
La energía lumínica entra en el proceso de fotosíntesis cuando los pigmentos absorben la luz. En las plantas, las moléculas de pigmento absorben solo la luz visible para la fotosíntesis. La luz visible vista por los humanos como luz blanca existe realmente en un arco iris de colores. Ciertos objetos, como un prisma o una gota de agua, dispersan la luz blanca para revelar estos colores al ojo humano. La porción de luz visible del espectro electromagnético es percibida por el ojo humano como un arco iris de colores, con violeta y azul teniendo longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, mayor energía. En el otro extremo del espectro hacia el rojo, las longitudes de onda son más largas y tienen menor energía.
Comprensión de los pigmentos
Existen diferentes tipos de pigmentos, y cada uno absorbe solo ciertas longitudes de onda (colores) de luz visible. Los pigmentos reflejan el color de las longitudes de onda que no pueden absorber.
Todos los organismos fotosintéticos contienen un pigmento llamado clorofila a, que los humanos ven como el color verde común asociado con las plantas. La clorofila a absorbe longitudes de onda de cualquiera de los extremos del espectro visible (azul y rojo), pero no del verde. Debido a que el verde se refleja, la clorofila aparece verde.
Otros tipos de pigmentos incluyen la clorofila b (que absorbe la luz azul y rojo-naranja) y los carotenoides. Cada tipo de pigmento se puede identificar por el patrón específico de longitudes de onda que absorbe de la luz visible, que es su espectro de absorción.
Muchos organismos fotosintéticos tienen una mezcla de pigmentos; entre ellos, el organismo puede absorber energía de una gama más amplia de longitudes de onda de luz visible. No todos los organismos fotosintéticos tienen pleno acceso a la luz solar. Algunos organismos crecen bajo el agua donde la intensidad de la luz disminuye con la profundidad, y ciertas longitudes de onda son absorbidas por el agua. Otros organismos crecen en competencia por la luz. Las plantas en el suelo de la selva tropical deben ser capaces de absorber cualquier poco de luz que pase, porque los árboles más altos bloquean la mayor parte de la luz solar (Figura\(\PageIndex{4}\)).
Cómo funcionan las reacciones dependientes de la luz
El propósito general de las reacciones dependientes de la luz es convertir la energía de la luz en energía química. Esta energía química será utilizada por el ciclo Calvino para alimentar el ensamblaje de moléculas de azúcar.
Las reacciones dependientes de la luz comienzan en una agrupación de moléculas pigmentarias y proteínas llamadas fotosistema. Los fotosistemas existen en las membranas de los tilacoides. Una molécula de pigmento en el fotosistema absorbe un fotón, una cantidad o “paquete” de energía luminosa, a la vez.
Un fotón de energía lumínica viaja hasta llegar a una molécula de clorofila. El fotón hace que un electrón en la clorofila se “excita”. La energía dada al electrón le permite liberarse de un átomo de la molécula de clorofila. Por lo tanto, se dice que la clorofila “dona” un electrón (Figura\(\PageIndex{5}\)).
Para reemplazar el electrón en la clorofila, se divide una molécula de agua. Esta división libera un electrón y da como resultado la formación de oxígeno (O 2) e iones de hidrógeno (H +) en el espacio tilacoide. Técnicamente, cada ruptura de una molécula de agua libera un par de electrones, y por lo tanto puede reemplazar a dos electrones donados.
La sustitución del electrón permite que la clorofila responda a otro fotón. Las moléculas de oxígeno producidas como subproductos encuentran su camino hacia el ambiente circundante. Los iones de hidrógeno juegan un papel crítico en el resto de las reacciones dependientes de la luz.
Tenga en cuenta que el propósito de las reacciones dependientes de la luz es convertir la energía solar en portadores químicos que serán utilizados en el ciclo Calvino. En eucariotas y algunos procariotas, existen dos fotosistemas. El primero se llama fotosistema II, que fue nombrado por el orden de su descubrimiento más que por el orden de la función.
Después de los impactos de fotones, el fotosistema II transfiere el electrón libre al primero de una serie de proteínas dentro de la membrana tilacoidea llamada cadena de transporte de electrones. A medida que el electrón pasa a lo largo de estas proteínas, la energía del electrón alimenta bombas de membrana que mueven activamente los iones de hidrógeno contra su gradiente de concentración desde el estroma hacia el espacio tilacoide. Esto es bastante análogo al proceso que ocurre en la mitocondria en la que una cadena de transporte de electrones bombea iones de hidrógeno desde el estroma mitocondrial a través de la membrana interna y hacia el espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico. Después de que se utiliza la energía, el electrón es aceptado por una molécula de pigmento en el siguiente fotosistema, que se llama fotosistema I (Figura\(\PageIndex{6}\)).
Generación de un Transportador de Energía: ATP
En las reacciones dependientes de la luz, la energía absorbida por la luz solar es almacenada por dos tipos de moléculas portadoras de energía: ATP y NADPH. La energía que llevan estas moléculas se almacena en un enlace que contiene un solo átomo a la molécula. Para ATP, es un átomo de fosfato, y para el NADPH, es un átomo de hidrógeno. Recordemos que el NADH era una molécula similar que transportaba energía en la mitocondria desde el ciclo del ácido cítrico hasta la cadena de transporte de electrones. Cuando estas moléculas liberan energía en el ciclo de Calvin, cada una pierde átomos para convertirse en las moléculas de menor energía ADP y NADP +.
La acumulación de iones hidrógeno en el espacio tilacoide forma un gradiente electroquímico debido a la diferencia en la concentración de protones (H +) y la diferencia en la carga a través de la membrana que crean. Esta energía potencial es cosechada y almacenada como energía química en ATP a través de la quimiósmosis, el movimiento de iones de hidrógeno por su gradiente electroquímico a través de la enzima transmembrana ATP sintasa, al igual que en la mitocondria.
Se permite que los iones hidrógeno pasen a través de la membrana tilacoidea a través de un complejo proteico embebido llamado ATP sintasa. Esta misma proteína generó ATP a partir del ADP en la mitocondria. La energía generada por la corriente de iones de hidrógeno permite a la ATP sintasa unir un tercer fosfato al ADP, que forma una molécula de ATP en un proceso llamado fotofosforilación. El flujo de iones hidrógeno a través de ATP sintasa se llama quimiósmosis, debido a que los iones se mueven de un área de alta a baja concentración a través de una estructura semipermeable.
Generando otro portador de energía: NADPH
La función restante de la reacción dependiente de la luz es generar la otra molécula portadora de energía, NADPH. A medida que el electrón de la cadena de transporte de electrones llega al fotosistema I, se vuelve a energizar con otro fotón capturado por la clorofila. La energía de este electrón impulsa la formación de NADPH a partir de NADP + y un ion hidrógeno (H +). Ahora que la energía solar se almacena en portadores de energía, se puede utilizar para hacer una molécula de azúcar.
Resumen
En la primera parte de la fotosíntesis, la reacción dependiente de la luz, las moléculas de pigmento absorben la energía de la luz solar. El pigmento más común y abundante es la clorofila a. Un fotón golpea el fotosistema II para iniciar la fotosíntesis. La energía viaja a través de la cadena de transporte de electrones, que bombea iones de hidrógeno al espacio tilacoide. Esto forma un gradiente electroquímico. Los iones fluyen a través de ATP sintasa desde el espacio tilacoide hacia el estroma en un proceso llamado quimiósmosis para formar moléculas de ATP, las cuales son utilizadas para la formación de moléculas de azúcar en la segunda etapa de la fotosíntesis. El fotosistema I absorbe un segundo fotón, lo que da como resultado la formación de una molécula NADPH, otro portador de energía para las reacciones del ciclo de Calvin.
Glosario
- espectro de absorción
- el patrón específico de absorción para una sustancia que absorbe radiación electromagnética
- clorofila a
- la forma de clorofila que absorbe la luz violeta-azul y roja
- clorofila b
- la forma de clorofila que absorbe la luz azul y rojo-naranja
- espectro electromagnético
- el rango de todas las frecuencias posibles de radiación
- fotón
- una cantidad distinta o “paquete” de energía luminosa
- fotosistema
- un grupo de proteínas, clorofila y otros pigmentos que se utilizan en las reacciones de fotosíntesis dependientes de la luz para absorber la energía de la luz y convertirla en energía química
- longitud de onda
- la distancia entre puntos consecutivos de una ola