12.5: Parte 2 - Fotosíntesis
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La fotosíntesis es un proceso utilizado para aprovechar la energía de la luz solar para finalmente unir los átomos de carbono del dióxido de carbono en moléculas de glucosa. Esto ocurre en dos fases principales, la fase dependiente de la luz y la fase independiente de la luz, y requiere clorofila a. Ambas fases tienen lugar dentro de los cloroplastos de los fotosintetizadores eucariotas o a través de membranas plegadas dentro de los procariotas. Por simplicidad, nos centraremos en los eucariotas y describiremos estos procesos en relación con la anatomía del cloroplasto (perdón, bacterias, asiento trasero nuevamente).
Anatomía de un cloroplasto
Los cloroplastos están rodeados por al menos dos membranas. Las dos membranas se derivaron de la cianobacteria original que fue engullida pero no digerida (Keeling, 2004). Dentro de la membrana interna, el cloroplasto tiene una matriz gelatinosa, muy parecida al citosol de la célula, llamada estroma. El estroma rodea una serie de estructuras plegadas unidas a la membrana, tilacoides, que se asemejan a panqueques y se apilan (nuevamente, al igual que los panqueques) en columnas llamadas grana (granum, singular). Los tilacoides aparecen de color verde oscuro, ya que la membrana tilacoidea está llena de moléculas de clorofila. Encerrado dentro de cada tilacoide hay una región llamada espacio tilacoideo.
Marque las estructuras en negritas en el diagrama del cloroplasto. Indicar el origen de cada membrana del cloroplasto.
Fase dependiente de la luz: La cadena de transporte de electrones
Esta fase se denomina fase dependiente de la luz porque para iniciar este proceso, una partícula de luz, llamada fotón, de la longitud de onda correcta debe ser absorbida por una molécula de clorofila a, incrustada en un complejo llamado fotosistema II (PSII).
La energía del fotón hace que un electrón sea derribado de la molécula de clorofila y este electrón se traslada a un complejo proteico adyacente. Más sobre esto en un segundo.
La molécula de clorofila necesita reemplazar el electrón que perdió para que esté lista para responder al siguiente fotón. Una molécula de agua se divide en la base del PSII, liberando dos electrones y produciendo oxígeno y 2 protones (\(\ce{H+}\)) en el espacio tilacoide. Anote cada vez que se agrega H+ al espacio tilacoide, ya que esto crea una acumulación de cargas positivas, que se repelen entre sí.
De vuelta a ese primer electrón. El complejo proteico al que se transporta es una bomba de protones. Cuando el electrón ingresa al complejo proteico, efectivamente enciende la bomba de protones, haciendo\(\ce{H+}\) que sea bombeado desde el estroma y hacia el espacio tilacoide.
El electrón luego salta a otra bomba de protones, provocando que otro H+ sea bombeado desde el estroma al espacio tilacoide.
Este electrón ha agotado gran parte de su energía, por lo que debe ingresar a otro fotosistema (PSI) para ser reenergizado por otro fotón.
El electrón re-energizado se transporta luego a una enzima llamada NADP+ reductasa, que reduce (agrega electrones a) una molécula de NADP+ para crear NADPH de alta energía. Esto requiere de dos electrones, pero este proceso implica un flujo continuo de electrones, por lo que otro llega poco después del primero.
Este es el final de la cadena de transporte de electrones. Sin embargo, hay otro componente en esta fase. Dentro de la membrana tilacoidea,\(\ce{H+}\) se están acumulando, creando un almacenamiento de energía a través de la membrana tilacoidea a medida que se repelen entre sí. A pesar de que son pequeños (un solo protón), no pueden pasar libremente a través de la membrana debido a la carga positiva.
En cambio, una enzima llamada ATP sintasa permite el\(\ce{H+}\) paso al otro lado. El flujo de\(\ce{H+}\) a través de la enzima hace que gire, al igual que una turbina, convirtiendo la energía almacenada en energía cinética (movimiento).
La ATP sintasa convierte esta energía cinética en energía química usándola para agregar grupos fosfato en moléculas de ADP. Esto crea moléculas de ATP inestables y de alta energía que pueden usarse para alimentar otros procesos celulares.
Aplicarlo: Trabaja con tus compañeros de laboratorio para diseñar un modelo que ilustre la fase de fotosíntesis dependiente de la luz. Considere los materiales disponibles en laboratorio (incluyendo, potencialmente, otros estudiantes), así como si su modelo tendrá partes móviles. ¿Cuál es la mejor manera de comunicar este proceso?
A continuación se muestra un ejemplo de un modelo de la cadena de transporte de electrones en la fotosíntesis. ¿Puedes platicar tu camino a través de lo que está pasando? Intenta explicarle este proceso a un socio.
Fase independiente de la luz: El ciclo de Calvino
La fase independiente de la luz tiene lugar en el estroma del cloroplasto. Durante esta fase, denominada Ciclo Calvino, la energía química almacenada en el NADPH y ATP producida durante la fase dependiente de la luz se utiliza para construir moléculas de glucosa. Esto sucede en tres etapas principales.
- Fijación de Carbono: El dióxido de carbono (\(\ce{CO2}\)) ingresa a la planta a través del estoma, se difunde hacia las células y luego en el cloroplasto. Una enzima llamada RuBisCO (una forma mucho más fácil de decir Ribulose-1, 5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa) se une\(\ce{CO2}\) a una molécula de 5 carbonos llamada RuBP. Esto se rompe en dos moléculas de 3-carbono de 3-PGA.
- Reducción: el NADPH dona electrones y el ATP dona un grupo fosfato para convertir cada 3-PGA en G3P, dos de los cuales son necesarios para producir glucosa. Por cada seis G3P fabricados, solo uno pasa a hacer glucosa, el resto debe ser reciclado.
- Regeneración: Para mantener el ciclo, RuBP debe ser regenerado. Usando energía y fosfato donados por más ATP, se reciclan cinco G3P para hacer tres más RuBP.
Este proceso puede ocurrir durante el día o la noche, pero requiere un aporte constante de ATP, NADPH y\(\ce{CO2}\).
Los reactivos anteriores son necesarios para completar este proceso. ¿Cuáles son los productos de la fase independiente de la luz?
Para cada uno de los productos y reactivos en la reacción química para la fotosíntesis que se escribe a continuación, identificar dónde se produjo o consumió.
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Fase |
¿Dónde se lleva a cabo? |
Reactivos |
Productos |
|---|---|---|---|
|
Dependiente de la luz |
|||
|
Independiente de la luz |