10.5: Las reacciones independientes de la luz (también conocido como el Ciclo Calvino)

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Después de que la energía del sol se convierte y se empaqueta en ATP y NADPH, la celda tiene el combustible necesario para construir moléculas de carbohidratos. Las moléculas de carbohidratos elaboradas tendrán una cadena principal de átomos de carbono. ¿De dónde viene el carbono? Los átomos de carbono utilizados para construir moléculas de carbohidratos provienen del dióxido de carbono, que se difunde hacia las hojas a través de los estomas. El ciclo de Calvin es el término utilizado para las reacciones de fotosíntesis que utilizan la energía almacenada por las reacciones dependientes de la luz para formar glucosa y otras moléculas de carbohidratos (Figura\(\PageIndex{1}\)).

ciclo de calvino — **Figura\(\PageIndex{1}\):** Las reacciones dependientes de la luz aprovechan la energía del sol para producir ATP y NADPH. Estas moléculas transportadoras de energía viajan al estroma donde tienen lugar las reacciones del ciclo de Calvino.

El Interfuncionamiento del Ciclo Calvino

En las plantas, el dióxido de carbono (CO ₂) ingresa al cloroplasto a través de los estomas y se difunde en el estroma del cloroplasto, el sitio de las reacciones del ciclo Calvino donde se sintetiza el azúcar. Las reacciones llevan el nombre del científico que las descubrió, y hacen referencia al hecho de que las reacciones funcionan como un ciclo. Otros lo llaman el ciclo Calvin-Benson para incluir el nombre de otro científico involucrado en su descubrimiento.

fotosíntesis en su totalidad — **Figura\(\PageIndex{2}\):** Las reacciones de luz aprovechan la energía del sol para producir enlaces químicos, ATP y NADPH. Estas moléculas portadoras de energía se fabrican en el estroma donde se lleva a cabo la fijación de carbono.

Las reacciones del ciclo de Calvin (Figura\(\PageIndex{2}\)) se pueden organizar en tres etapas básicas: fijación, reducción y regeneración. En el estroma, además del CO ₂, están presentes otras dos moléculas para iniciar el ciclo Calvin: una enzima abreviada RuBisCO (que significa ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa, en caso de que te interese), y la molécula ribulosa bisfosfato (RuBP). RubP tiene cinco átomos de carbono y un grupo fosfato en cada extremo.

Se muestra un diagrama del ciclo Calvin con sus tres etapas: fijación de carbono, reducción de 3-PGA y regeneración de RuBP. En la etapa 1, la enzima RuBisCO agrega un dióxido de carbono a la molécula de cinco carbonos RuBP, produciendo dos moléculas de 3-PGA de tres carbonos. En la etapa 2, se utilizan dos NADPH y dos ATP para reducir 3-PGA a GA3P. En la etapa 3 RuBP se regenera a partir de GA3P. Se utiliza un ATP en el proceso. Tres ciclos completos producen un nuevo GA3P, que se deriva del ciclo y se convierte en glucosa (C6H12O6). — **Figura\(\PageIndex{3}\):** El ciclo Calvino tiene tres etapas. En la etapa 1, la enzima RuBisCO incorpora dióxido de carbono a una molécula orgánica, 3-PGA. En la etapa 2, la molécula orgánica se reduce utilizando electrones suministrados por el NADPH. En la etapa 3, RubP, la molécula que inicia el ciclo, se regenera para que el ciclo pueda continuar. Solo se incorpora una molécula de dióxido de carbono a la vez, por lo que el ciclo debe completarse tres veces para producir una sola molécula de GA3P de tres carbonos, y seis veces para producir una molécula de glucosa de seis carbonos.

RuBisCO cataliza una reacción entre CO ₂ y RuBP, que forma un compuesto de seis carbonos que se convierte inmediatamente en dos compuestos de tres carbonos. Este proceso se llama fijación de carbono, debido a que el CO ₂ se “fija” de su forma inorgánica a moléculas orgánicas. Se puede pensar esto como el carbono que se convierte de la forma “rota” en el CO ₂ (que los organismos no pueden usar directamente) en una forma “fija”, que los organismos son capaces de utilizar. Debido a este papel tan importante en la fotosíntesis, RubiSco es probablemente la enzima más abundante en la tierra.

ATP y NADPH utilizan su energía almacenada para convertir el compuesto de tres carbonos, 3-PGA, en otro compuesto de tres carbonos llamado G3P. Este tipo de reacción se llama reacción de reducción, porque implica la ganancia de electrones. Una reducción es la ganancia de un electrón por un átomo o molécula. Las moléculas de ADP y NAD ⁺, resultantes de la reacción de reducción, regresan a las reacciones dependientes de la luz para ser re-energizadas.

Una de las moléculas G3P sale del ciclo de Calvin para contribuir a la formación de la molécula de carbohidrato, que comúnmente es glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆). Debido a que la molécula de carbohidrato tiene seis átomos de carbono, se necesitan seis giros del ciclo de Calvin para hacer una molécula de carbohidrato (una por cada molécula de dióxido de carbono fijada). Las moléculas G3P restantes regeneran RuBP, lo que permite que el sistema se prepare para la etapa de fijación de carbono. El ATP también se usa en la regeneración de RuBP.

En resumen, se necesitan seis giros del ciclo de Calvino para fijar seis átomos de carbono a partir del CO ₂. Estos seis giros requieren entrada de energía de 12 moléculas de ATP y 12 moléculas de NADPH en la etapa de reducción y 6 moléculas de ATP en la etapa de regeneración.

Conexión Evolution

La fotosíntesis en plantas desérticas ha evolucionado adaptaciones que conservan el agua. En el duro calor seco, cada gota de agua debe ser utilizada para sobrevivir. Debido a que los estomas deben abrirse para permitir la absorción de CO ₂, el agua se escapa de la hoja durante la fotosíntesis activa. Las plantas del desierto han desarrollado procesos para conservar el agua y hacer frente a las duras condiciones. Un uso más eficiente del CO ₂ permite que las plantas se adapten a vivir con menos agua. Algunas plantas como los cactus pueden preparar materiales para la fotosíntesis durante la noche mediante un proceso temporal de fijación/almacenamiento de carbono, ya que al abrir los estomas en este momento se conserva el agua debido a temperaturas más frías. Además, los cactus han evolucionado la capacidad de realizar bajos niveles de fotosíntesis sin abrir los estomas en absoluto, un mecanismo extremo para enfrentar periodos extremadamente secos.

Resumen de la Sección

Usando los portadores de energía formados en los primeros pasos de la fotosíntesis, las reacciones independientes de la luz, o el ciclo de Calvino, toman CO ₂ del ambiente. Una enzima, RuBisCO, cataliza una reacción con CO ₂ y otra molécula, RubP. Después de tres ciclos, una molécula de tres carbonos de G3P deja el ciclo para formar parte de una molécula de carbohidrato. Las moléculas de G3P restantes permanecen en el ciclo para regenerarse en RuBP, que luego está lista para reaccionar con más CO ₂. La fotosíntesis forma un ciclo energético con el proceso de respiración celular. Las plantas necesitan tanto fotosíntesis como respiración por su capacidad de funcionar tanto en la luz como en la oscuridad, y para poder interconvertir metabolitos esenciales. Por lo tanto, las plantas contienen tanto cloroplastos como mitocondrias.

Consulta\(\PageIndex{1}\)

Referencias

A menos que se indique lo contrario, las imágenes de esta página están bajo licencia CC-BY 4.0 de OpenStax.

Texto adaptado de: OpenStax, Conceptos de Biología. OpenStax CNX. mayo 18, 2016 http://cnx.org/contents/b3c1e1d2-839...9a8aafbdd@9.10