8.1: Visión general de la fotosíntesis

Habilidades para Desarrollar

• Explicar la relevancia de la fotosíntesis para otros seres vivos
• Describir las principales estructuras involucradas en la fotosíntesis
• Identificar los sustratos y productos de la fotosíntesis
• Resumir el proceso de fotosíntesis

La fotosíntesis es esencial para toda la vida en la tierra; tanto las plantas como los animales dependen de ella. Es el único proceso biológico que puede capturar la energía que se origina en el espacio exterior (luz solar) y convertirla en compuestos químicos (carbohidratos) que todo organismo utiliza para potenciar su metabolismo. En resumen, la energía de la luz solar es capturada y utilizada para energizar electrones, que luego se almacenan en los enlaces covalentes de las moléculas de azúcar. ¿Qué tan duraderos y estables son esos enlaces covalentes? La energía extraída hoy por la quema de carbón y productos derivados del petróleo representa la energía solar capturada y almacenada por la fotosíntesis hace casi 200 millones de años.

Plantas, algas y un grupo de bacterias llamadas cianobacterias son los únicos organismos capaces de realizar la fotosíntesis (Figura\(\PageIndex{1}\)). Debido a que utilizan la luz para fabricar su propio alimento, se les llama fotoautótrofos (literalmente, “autoalimentadores usando luz”). Otros organismos, como animales, hongos y la mayoría de las otras bacterias, se denominan heterótrofos (“otros alimentadores”), porque deben depender de los azúcares producidos por los organismos fotosintéticos para sus necesidades energéticas. Un tercer grupo muy interesante de bacterias sintetiza azúcares, no usando la energía de la luz solar, sino extrayendo energía de compuestos químicos inorgánicos; de ahí que se les haga referencia como quimioautótrofos.

Figura\(\PageIndex{1}\): Fotoautótrofos que incluyen (a) plantas, (b) algas y (c) cianobacterias sintetizan sus compuestos orgánicos a través de la fotosíntesis utilizando la luz solar como fuente de energía. Las cianobacterias y las algas planctónicas pueden crecer sobre enormes áreas en el agua, a veces cubriendo completamente la superficie. En un (d) respiradero profundo, los quimioautótrofos, como estas (e) bacterias termófilas, capturan energía de compuestos inorgánicos para producir compuestos orgánicos. El ecosistema que rodea los respiraderos tiene una amplia gama de animales, como gusanos tubo, crustáceos y pulpos que derivan energía de las bacterias. (crédito a: modificación de obra de Steve Hillebrand, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de Estados Unidos; crédito b: modificación de obra por “eutrofiación&hipoxia” /Flickr; crédito c: modificación de obra por parte de la NASA; crédito d: Universidad de Washington, NOAA; crédito e: modificación de obra por Mark Amend, Costa Oeste y Regiones Polares Centro de Investigación Submarina, UAF, NOAA)

La importancia de la fotosíntesis no es sólo que pueda captar la energía de la luz solar. Un lagarto tomando el sol en un día frío puede usar la energía del sol para calentarse. La fotosíntesis es vital porque evolucionó como una forma de almacenar la energía en la radiación solar (la parte “foto-”) como electrones de alta energía en los enlaces carbono-carbono de las moléculas de carbohidratos (la parte “-síntesis”). Esos carbohidratos son la fuente de energía que utilizan los heterótrofos para impulsar la síntesis de ATP a través de la respiración. Por lo tanto, la fotosíntesis alimenta 99 por ciento de los ecosistemas de la Tierra. Cuando un depredador superior, como un lobo, se alimenta de un venado (Figura\(\PageIndex{2}\)), el lobo se encuentra al final de un camino energético que pasó de reacciones nucleares en la superficie del sol, a la luz, a la fotosíntesis, a la vegetación, a los venados, y finalmente al lobo.

Figura\(\PageIndex{2}\): La energía almacenada en las moléculas de carbohidratos de la fotosíntesis pasa a través de la cadena alimentaria. El depredador que come a estos venados recibe una porción de la energía que se originó en la vegetación fotosintética que consumió el venado. (crédito: modificación de obra de Steve VanRiper, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de los Estados Unidos)

Estructuras Principales y Resumen de la Fotosíntesis

La fotosíntesis es un proceso de varios pasos que requiere luz solar, dióxido de carbono (que es bajo en energía) y agua como sustratos (Figura\(\PageIndex{3}\)). Una vez completado el proceso, libera oxígeno y produce gliceraldehído-3-fosfato (GA3P), moléculas simples de carbohidratos (que son altas en energía) que posteriormente se pueden convertir en glucosa, sacarosa o cualquiera de docenas de otras moléculas de azúcar. Estas moléculas de azúcar contienen energía y el carbono energizado que todos los seres vivos necesitan para sobrevivir.

Figura\(\PageIndex{3}\): La fotosíntesis utiliza energía solar, dióxido de carbono y agua para producir carbohidratos que almacenan energía. El oxígeno se genera como producto de desecho de la fotosíntesis.

La siguiente es la ecuación química para la fotosíntesis (Figura\(\PageIndex{4}\)):

Figura\(\PageIndex{4}\): La ecuación básica para la fotosíntesis es engañosamente simple. En realidad, el proceso se lleva a cabo en muchas etapas que involucran reactivos y productos intermedios. La glucosa, la principal fuente de energía en las células, está compuesta por dos Ga3Ps de tres carbonos.

Aunque la ecuación parece simple, los muchos pasos que se dan durante la fotosíntesis son en realidad bastante complejos. Antes de conocer los detalles de cómo los fotoautótrofos convierten la luz solar en alimento, es importante familiarizarse con las estructuras involucradas.

En las plantas, la fotosíntesis generalmente se realiza en las hojas, las cuales constan de varias capas de células. El proceso de fotosíntesis ocurre en una capa media llamada mesófila. El intercambio gaseoso de dióxido de carbono y oxígeno se produce a través de pequeñas aberturas reguladas llamadas estomas (singular: estoma), que también juegan un papel en la regulación del intercambio de gases y el equilibrio hídrico. Los estomas suelen ubicarse en la parte inferior de la hoja, lo que ayuda a minimizar la pérdida de agua. Cada estoma está flanqueado por células guardianas que regulan la apertura y cierre de los estomas al hincharse o encogerse en respuesta a cambios osmóticos.

En todos los eucariotas autótrofos, la fotosíntesis se lleva a cabo dentro de un orgánulo llamado cloroplasto. Para las plantas, las células que contienen cloroplastos existen en el mesófilo. Los cloroplastos tienen una envoltura de doble membrana (compuesta por una membrana externa y una membrana interna). Dentro del cloroplasto se apilan, estructuras en forma de disco llamadas tilacoides. En la membrana tilacoidea está incrustada la clorofila, un pigmento (molécula que absorbe la luz) responsable de la interacción inicial entre la luz y el material vegetal, y numerosas proteínas que conforman la cadena de transporte de electrones. La membrana tilacoidea encierra un espacio interno llamado lumen tilacoide. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\), una pila de tilacoides se llama gránulo, y el espacio lleno de líquido que rodea el gránulo se llama estroma o “lecho” (que no debe confundirse con estoma o “boca”, una abertura en la epidermis de la hoja).

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{5}\): La fotosíntesis se realiza en cloroplastos, los cuales tienen una membrana externa y una membrana interna. Las pilas de tilacoides llamadas grana forman una tercera capa de membrana.

En un día caluroso y seco, las plantas cierran sus estomas para conservar el agua. ¿Qué impacto tendrá esto en la fotosíntesis?

Las dos partes de la fotosíntesis

La fotosíntesis se realiza en dos etapas secuenciales: las reacciones dependientes de la luz y las reacciones independientes de la luz. En las reacciones dependientes de la luz, la energía de la luz solar es absorbida por la clorofila y esa energía se convierte en energía química almacenada. En las reacciones independientes de la luz, la energía química recolectada durante las reacciones dependientes de la luz impulsa el ensamblaje de moléculas de azúcar a partir del dióxido de carbono. Por lo tanto, aunque las reacciones independientes de la luz no utilizan la luz como reactivo, requieren que los productos de las reacciones dependientes de la luz funcionen. Además, varias enzimas de las reacciones independientes de la luz son activadas por la luz. Las reacciones dependientes de la luz utilizan ciertas moléculas para almacenar temporalmente la energía: Estas se conocen como portadores de energía. Los portadores de energía que mueven la energía de reacciones dependientes de la luz a reacciones independientes de la luz pueden considerarse como “llenos” porque son ricos en energía. Después de que se libera la energía, los portadores de energía “vacíos” vuelven a la reacción dependiente de la luz para obtener más energía. La figura\(\PageIndex{6}\) ilustra los componentes dentro del cloroplasto donde tienen lugar las reacciones dependientes de la luz e independientes de la luz.

Figura\(\PageIndex{6}\): La fotosíntesis se realiza en dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvino. Las reacciones dependientes de la luz, que tienen lugar en la membrana tilacoidea, utilizan energía lumínica para producir ATP y NADPH. El ciclo Calvino, que tiene lugar en el estroma, utiliza energía derivada de estos compuestos para elaborar GA3P a partir de CO ₂.

Enlace al aprendizaje

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Conexión cotidiana: Fotosíntesis en la Tienda de Abarrotes

Figura\(\PageIndex{7}\): Los alimentos que consumen los humanos provienen de la fotosíntesis. (crédito: Associação Brasileira de Supermercados)

Las principales tiendas de abarrotes en Estados Unidos están organizadas en departamentos, como lácteos, carnes, productos, pan, cereales, etc. Cada pasillo (Figura\(\PageIndex{7}\)) contiene cientos, si no miles, de diferentes productos para que los clientes compren y consuman.

Aunque existe una gran variedad, cada ítem enlaza de nuevo con la fotosíntesis. Las carnes y los lácteos se vinculan, porque los animales fueron alimentados con alimentos de origen vegetal. Los panes, cereales y pastas provienen en gran parte de granos almidonados, que son semillas de plantas dependientes de la fotosíntesis. ¿Qué pasa con los postres y las bebidas? Todos estos productos contienen azúcar: la sacarosa es un producto vegetal, un disacárido, una molécula de carbohidratos, que se construye directamente a partir de la fotosíntesis. Además, muchos artículos son menos obviamente derivados de las plantas: Por ejemplo, los artículos de papel son generalmente productos vegetales, y muchos plásticos (abundantes como productos y envases) se derivan de algas. Prácticamente todas las especias y saborizantes en el pasillo de especias fueron producidos por una planta como hoja, raíz, corteza, flor, fruto o tallo. En última instancia, la fotosíntesis conecta con cada comida y cada alimento que consume una persona.

Resumen

El proceso de fotosíntesis transformó la vida en la Tierra. Al aprovechar la energía del sol, la fotosíntesis evolucionó para permitir que los seres vivos accedieran a enormes cantidades de energía. Debido a la fotosíntesis, los seres vivos obtuvieron acceso a la energía suficiente que les permitió construir nuevas estructuras y lograr la biodiversidad evidente hoy en día.

Solo ciertos organismos, llamados fotoautótrofos, pueden realizar la fotosíntesis; requieren la presencia de clorofila, un pigmento especializado que absorbe ciertas porciones del espectro visible y puede capturar energía de la luz solar. La fotosíntesis utiliza dióxido de carbono y agua para ensamblar moléculas de carbohidratos y liberar oxígeno como producto de desecho a la atmósfera. Los autótrofos eucariotas, como las plantas y las algas, tienen orgánulos llamados cloroplastos en los que tiene lugar la fotosíntesis, y se acumula almidón. En procariotas, como las cianobacterias, el proceso es menos localizado y ocurre dentro de membranas plegadas, extensiones de la membrana plasmática y en el citoplasma.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{5}\): En un día caluroso y seco, las plantas cierran sus estomas para conservar el agua. ¿Qué impacto tendrá esto en la fotosíntesis?

Contestar

Los niveles de dióxido de carbono (un sustrato fotosintético necesario) caerán inmediatamente. Como resultado, se inhibirá la tasa de fotosíntesis.

Glosario

quimioautótrofo

organismo que puede construir moléculas orgánicas utilizando energía derivada de productos químicos inorgánicos en lugar de la luz solar

cloroplasto

orgánulo en el que se lleva a cabo la fotosíntesis

granum

pila de tilacoides ubicados dentro de un cloroplasto

heterótrofo

organismo que consume sustancias orgánicas u otros organismos para alimentos

reacción dependiente de la luz

primera etapa de la fotosíntesis donde se absorben ciertas longitudes de onda de la luz visible para formar dos moléculas portadoras de energía (ATP y NADPH)

reacción independiente de la luz

segunda etapa de la fotosíntesis, aunque el dióxido de carbono se usa para construir moléculas de carbohidratos usando energía de ATP y NADPH

mesófilo

capa media de células ricas en clorofila en una hoja

fotoautótrofo

organismo capaz de producir sus propios compuestos orgánicos a partir de la luz solar

pigmento

molécula que es capaz de absorber ciertas longitudes de onda de la luz y reflejar otras (lo que explica su color)

estoma

abertura que regula el intercambio de gases y la evaporación del agua entre las hojas y el ambiente, típicamente situada en la parte inferior de las hojas

estroma

espacio lleno de líquido que rodea el grana dentro de un cloroplasto donde tienen lugar las reacciones de fotosíntesis independientes de la luz

tilacoides

estructura unida a membrana en forma de disco dentro de un cloroplasto donde tienen lugar las reacciones de fotosíntesis dependientes de la luz; las pilas de tilacoides se llaman grana

lumen tilacoide

espacio acuoso unido por una membrana tilacoidea donde los protones se acumulan durante el transporte de electrones impulsado por la luz