13.3: Resumen y Ecuación de la Fotosíntesis

Objetivos de aprendizaje

• Explicar la relevancia de la fotosíntesis para otros seres vivos.
• Identificar los sustratos y productos de la fotosíntesis.
• Describir las principales estructuras involucradas en la fotosíntesis.
• Relacionar las reacciones dependientes de la luz e independientes de la luz.

Plantas, algas y ciertas bacterias (cianobacterias y bacterias de azufre verde y púrpura) se encuentran entre los 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 End, 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. 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 celular. Por lo tanto, la fotosíntesis alimenta 99 por ciento de los ecosistemas de la Tierra.

Ecuación de 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\(\PageIndex{2}\)). 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\(\PageIndex{2}\): 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\(\PageIndex{3}\)). Aunque la ecuación parece simple, los muchos pasos que se dan durante la fotosíntesis son en realidad bastante complejos.

Figura\(\PageIndex{3}\): 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. Técnicamente, el agua es tanto reactivo como producto en la fotosíntesis, lo que no se refleja en la ecuación química equilibrada mostrada. La luz solar se utiliza como fuente de energía.

Estructuras de la Fotosíntesis

Antes de conocer los detalles de cómo los fotoautótrofos convierten la luz solar en alimento, es importante revisar las estructuras involucradas. Recordemos del capítulo Hojas que las hojas constan de varias capas de células, y el proceso de fotosíntesis ocurre en el mesófilo (capa media). Tenga en cuenta que otras partes de la planta, como los tallos, también son fotosintéticos. El intercambio gaseoso de dióxido de carbono y oxígeno se produce a través de los estomas (singular: estoma), que también participan en el balance 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 su apertura y cierre.

En todos los eucariotas autótrofos, la fotosíntesis se lleva a cabo dentro del 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\(\PageIndex{4}\), una pila de tilacoides se llama gránulo (plural: grana), 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 hoja epidermis).

Figura\(\PageIndex{4}\): La fotosíntesis se realiza en cloroplastos, los cuales tienen una membrana externa y una membrana interna. El espacio entre las membranas externa e interna se denomina espacio intermembrana. Las pilas de tilacoides llamadas grana forman una tercera capa de membrana. Los tilacoides forman pilas llamadas grana. El líquido dentro de la membrana interna se llama estroma, y el espacio dentro del tilacoide se llama luz tilacoidea.

Pasos de la Fotosíntesis

La fotosíntesis se realiza en dos etapas secuenciales: las reacciones dependientes de la luz y las reacciones independientes de la luz (ciclo de Calvino). 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. Las reacciones dependientes de la luz requieren agua y producen oxígeno y energía en forma de ATP. 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 ATP y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) para almacenar temporalmente la energía. Debido a que el NADPH lleva dos electrones de alta energía, a menudo se le conoce como un portador de electrones. Se le puede pensar como “lleno” porque es rico en energía en su estado reducido. Cuando se reduce una molécula, se le han agregado electrones. Los electrones tienen una carga negativa, por lo que a esto se le denomina “reducción”. NAPDH mueve la energía de reacciones dependientes de la luz a reacciones independientes de la luz. Después de que se libera la energía, la versión “vacía” (oxidada), NADP ⁺, vuelve a las reacciones dependientes de la luz para obtener más electrones de alta energía. Asimismo, el ATP producido durante las reacciones dependientes de la luz alimenta las reacciones independientes de la luz. Luego regresa en una forma de menor energía (ADP) a las reacciones dependientes de la luz para volver a fosforilarse. La figura\(\PageIndex{5}\) ilustra los componentes dentro del cloroplasto donde tienen lugar las reacciones dependientes de la luz e independientes de la luz.

Figura\(\PageIndex{5}\): La fotosíntesis se realiza en dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y las reacciones independientes de la luz (ciclo de Calvin o ciclo de Calvin-Benson). Las reacciones dependientes de la luz, que tienen lugar en la membrana tilacoidea, utilizan energía lumínica para producir ATP y NADPH. En el proceso se utiliza agua y se produce oxígeno. La energía del ATP y el NADPH se utilizan para alimentar el ciclo Calvin, el cual produce GA3P a partir del dióxido de carbono. El ATP se descompone a ADP y Pi, y el NADPH se oxida a NADP ⁺. El ciclo se completa cuando las reacciones de luz convierten estas moléculas de nuevo en ATP y NADPH.

Atribución

Comisariada y autoría de Melissa Ha utilizando las siguientes fuentes:

• 8.1 Visión general de la fotosíntesis a partir de la biología 2e por OpenStax (licenciado CC-BY). Accede gratis en openstax.org.
• 3.1 Descubrimiento de la fotosíntesis a partir de la introducción a la botánica por Alexey Shipunov (dominio público)