2.13: Fotosíntesis
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El oxígeno ha sido descrito como un “producto de desecho”. ¿Lo es?
Esencialmente, el oxígeno es un producto de desecho de las reacciones lumínicas de la fotosíntesis. Es un “sobrante” de una parte necesaria del proceso. Todo el oxígeno que es necesario para mantener la mayoría de las formas de vida simplemente sucede que se produce durante este proceso.
Fotosíntesis Etapa I: Las reacciones de la luz
Los cloroplastos capturan la luz solar
Cada segundo, el sol fusiona más de 600 millones de toneladas de hidrógeno en 596 toneladas de helio, convirtiendo más de 4 toneladas de helio (4.3 mil millones de kg) en energía de luz y calor. Innumerables paquetes diminutos de esa energía luminosa recorren 93 millones de millas (150 millones de km) a través del espacio, y alrededor del 1% de la luz que llega a la superficie terrestre participa en la fotosíntesis. La luz es la fuente de energía para la fotosíntesis, y el primer conjunto de reacciones que inician el proceso requiere luz, de ahí el nombre, reacciones lumínicas o reacciones dependientes de la luz.
Cuando la luz golpea la clorofila (o un pigmento accesorio) dentro del cloroplasto, energiza los electrones dentro de esa molécula. Estos electrones saltan hasta niveles de energía más altos; han absorbido o capturado, y ahora portan, esa energía. Los electrones de alta energía están “excitados”. ¿Quién no estaría emocionado de mantener la energía de por vida?
Los electrones excitados dejan la clorofila para participar en otras reacciones, dejando a la clorofila “en una pérdida”; eventualmente deben ser reemplazadas. Ese proceso de reemplazo también requiere luz, trabajando con un complejo enzimático para dividir las moléculas de agua. En este proceso de fotólisis (“división por la luz”), las moléculas de H 2 O se rompen en iones de hidrógeno, electrones y átomos de oxígeno. Los electrones reemplazan a los que originalmente se perdieron de la clorofila. Los iones de hidrógeno y los electrones de alta energía de la clorofila llevarán a cabo la transformación de energía después de que terminen las reacciones de luz.
Los átomos de oxígeno, sin embargo, forman gas oxígeno, que es un producto de desecho de la fotosíntesis. El oxígeno desprendido suministra la mayor parte del oxígeno en nuestra atmósfera. Antes de que evolucionara la fotosíntesis, la atmósfera terrestre carecía por completo de oxígeno, y este gas altamente reactivo era tóxico para los muchos organismos que vivían en ese momento. ¡Algo tuvo que cambiar! La mayoría de los organismos contemporáneos dependen del oxígeno para una respiración eficiente. Así que las plantas no solo “restauran” el aire, ¡también tuvieron un papel importante en su creación!
En resumen, los cloroplastos “capturan” la energía de la luz solar de dos maneras. La luz “excita” los electrones en las moléculas de pigmento, y la luz proporciona la energía para dividir las moléculas de agua, proporcionando más electrones, así como iones de hidrógeno.
Energía de luz a energía química
Los electrones excitados que han absorbido la energía lumínica son inestables. Sin embargo, las moléculas portadoras de electrones altamente organizadas incrustadas en las membranas de cloroplastos ordenan el flujo de estos electrones, dirigiéndolos a través de cadenas de transporte de electrones (ETC). En cada transferencia, pequeñas cantidades de energía liberadas por los electrones son capturadas y puestas a trabajar o almacenadas. Algunos también se pierden como calor con cada transferencia, pero en general las reacciones de luz son extremadamente eficientes para capturar la energía de la luz y transformarla en energía química.
Dos cadenas de transporte secuenciales cosechan la energía de los electrones excitados, como se muestra en la Figura a continuación.
(1) Primero, pasan por un ETC, que captura su energía y la utiliza para bombear iones de hidrógeno por transporte activo hacia los tilacoides. Estos iones concentrados almacenan energía potencial al formar un gradiente quimiosmótico o electroquímico, una mayor concentración tanto de carga positiva como de hidrógeno dentro del tilacoide que en el exterior. El gradiente formado por los iones H + se conoce como gradiente quimiosmótico. Imagínese esta acumulación de energía de H + como una presa que retiene una cascada. Al igual que el agua que fluye a través de un agujero en la presa, los iones de hidrógeno “deslizan” su gradiente de concentración a través de una proteína de membrana que actúa como canal iónico y enzima. A medida que fluyen, el canal iónico/enzima ATP sintasa usa su energía para unir químicamente un grupo fosfato al ADP, produciendo ATP.
(2) La luz re-energiza los electrones, y viajan por una segunda cadena de transporte de electrones (ETC), eventualmente uniendo iones de hidrógeno a NADP + para formar una molécula de almacenamiento de energía más estable, NADPH. El NADPH a veces se llama “hidrógeno caliente”, y su energía y sus átomos de hidrógeno se utilizarán para ayudar a construir azúcar en la segunda etapa de la fotosíntesis.
Arquitectura de membrana: Las grandes moléculas portadoras coloreadas forman cadenas de transporte de electrones que capturan pequeñas cantidades de energía de electrones excitados para almacenarla en ATP y NADPH. Siga las vías de energía: luz → electrones → NADPH (línea azul) y luz → electrones → concentrado H + → ATP (línea roja). Tenga en cuenta la intrincada organización del cloroplasto. Las moléculas NADPH y ATP ahora almacenan la energía de los electrones excitados —energía que originalmente era la luz solar— en enlaces químicos. Así, los cloroplastos, con su disposición ordenada de pigmentos, enzimas y cadenas de transporte de electrones, transforman la energía luminosa en energía química. La primera etapa de la fotosíntesis —reacciones dependientes de la luz o simplemente reacciones de luz— está completa.
Resumen
- Las reacciones lumínicas capturan energía de la luz solar, que cambian a energía química que se almacena en moléculas de NADPH y ATP.
- Las reacciones de luz también liberan gas oxígeno como producto de desecho.
Revisar
- Resumir lo que sucede durante las reacciones lumínicas de la fotosíntesis.
- ¿Cuál es el gradiente quimiosmótico?
- Explicar el papel de la primera cadena de transporte de electrones en la formación de ATP durante las reacciones lumínicas de la fotosíntesis.
| Imagen | Referencia | Atribuciones |
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[Figura 1] | Crédito: Usuario:Tameeria/Wikipedia Fuente: Commons.wikimedia.org/wiki/Archivo:Thylakoid_membrane.png Licencia: Dominio público |
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[Figura 2] | Crédito: Usuario:Tameeria/Wikipedia Fuente: Commons.wikimedia.org/wiki/Archivo:Thylakoid_membrane.png Licencia: Dominio público |