20.10: Formación de Carbohidratos por Fotosíntesis
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Los carbohidratos se forman en las plantas verdes por fotosíntesis, que es la combinación química, o “fijación”, de dióxido de carbono y agua mediante la utilización de energía de la absorción de la luz visible. El resultado general es la reducción del dióxido de carbono a carbohidratos y la formación de oxígeno:
Si el carbohidrato formado es celulosa, entonces la reacción en efecto es la inversa de la quema de madera, y obviamente requiere un aporte considerable de energía.
Por su carácter vital para la vida tal como la conocemos, la fotosíntesis ha sido investigada intensamente y las características generales del proceso son ahora bastante bien entendidas. Las principales deficiencias en nuestro conocimiento incluyen cómo la luz absorbida por las plantas se convierte en energía química y los detalles de cómo ocurren las muchas reacciones complejas inducidas por enzimas involucradas.
Los ingredientes de las plantas verdes que llevan a cabo el trabajo de fotosíntesis están contenidos en unidades altamente organizadas y cubiertas de membrana llamadas cloroplastos. Las sustancias específicas que absorben la luz son los pigmentos vegetales, clorofila a y clorofila b, cuyas estructuras se muestran en la Figura 20-6. Estas sustancias altamente conjugadas son absorbentes de luz muy eficientes, y la energía así obtenida se utiliza en dos procesos separados, los cuales se representan diagramáticamente en la Figura 20-7.
Un fotoproceso reduce nicotinamida adenina dinucleótido fosfato\(\left( \ce{NADP}^\oplus \right)\) a\(\ce{NADPH}\). Estos dinucleótidos, que se muestran a continuación, difieren de\(\ce{NAD}^\oplus\) y\(\ce{NADH}\) (Sección 15-6C) en tener un grupo fosfato en una\(\ce{C_2}\) de las unidades de ribosa. La forma oxidada\(\ce{NADP}^\oplus\),, se comporta como\(\ce{NAD}^\oplus\) y recibe el equivalente de\(\ce{H}^\ominus\) at\(\ce{C_4}\) del anillo de nicotinamida para formar\(\ce{NADPH}\):
La otra fotorreacción importante es la oxidación del agua a oxígeno por la reacción:
\[\ce{H_2O} \rightarrow 2 \ce{H}^\oplus + \frac{1}{2} \ce{O_2} + 2 \ce{e}^\ominus\]
El oxígeno formado claramente proviene\(\ce{H_2O}\) y no de\(\ce{CO_2}\), porque la fotosíntesis en presencia de agua marcada con\(\ce{^{18}O}\) produce oxígeno marcado con\(\ce{^{18}O}\), mientras que el dióxido de carbono marcado con\(\ce{^{18}O}\) no da oxígeno etiquetado con\(\ce{^{18}O}\). Observe que la oxidación del agua produce dos electrones, y que la formación de\(\ce{NADPH}\) desde\(\ce{NADP}^\oplus\) requiere de dos electrones. Estas reacciones ocurren en diferentes localizaciones dentro de los cloroplastos y en el proceso de transferencia de electrones desde el sitio de oxidación del agua al sitio de\(\ce{NADP}^\oplus\) reducción, el difosfato de adenosina (ADP) se convierte en trifosfato de adenosina (ATP); ver Sección 15-5F para discusión entre los importancia de tales fosforilaciones). Así, el transporte de electrones entre los dos fotoprocesos se acopla a la fosforilación. Este proceso se denomina fotofosforilación (Figura 20-7).
El resultado final de la parte fotoquímica de la fotosíntesis es la formación de\(\ce{O_2}\)\(\ce{NADPH}\), y ATP. Gran parte del oxígeno se libera a la atmósfera, pero el\(\ce{NADPH}\) y ATP se utilizan en una serie de reacciones oscuras que logran la reducción del dióxido de carbono al nivel de un carbohidrato (fructosa). Una ecuación equilibrada es
\[6 \ce{CO_2} + 12 \ce{NADPH} + 12 \ce{H}^\oplus \rightarrow \ce{C_6H_{12}O_6} + 12 \ce{NADP}^\oplus + 6 \ce{H_2O}\]
El ciclo de reacciones que convierte el dióxido de carbono en carbohidratos se llama el ciclo Calvino, después de M. Calvino, quien recibió el Premio Nobel de Química en 1961 por su trabajo sobre la determinación del camino del carbono en la fotosíntesis.
El carbono ingresa al ciclo como dióxido de carbono. La reacción clave por la que\(\ce{CO_2}\) se “fija” implica la carboxilación enzimática de una pentosa,\(D\) -ribulosa 1,5-fosfato. \(^8\)
Una escisión hidrolítica posterior del\(\ce{C_3}\) enlace\(\ce{C_2}\) - del producto de carboxilación (esto equivale a una condensación inversa de Claisen;\ (\ alfa\) Carbones de Derivados de Acidos Carboxílicos” href=” /Librerías/Química orgánica/libro:_básico_principios_de_orgánico_química_ (Roberts_and_Caserio) /18: _carboxilic_acids_y_su_derivativos/18.09:_reacciones_at_el/ (/alpha/) _carbons_of_carboxilic_acid_derivados #18 -8B_The_Claisen_Condensation">Sección 18-8B) produce dos moléculas de\(D\) -3-fosfoglicerato. \(^9\)
En etapas posteriores, el ATP se utiliza para fosforilar el grupo carboxilo del 3-fosfoglicerato para crear 1,3-difosfoglicerato (un anhídrido mixto de ácidos glicérico y fosfórico). Esta sustancia luego se reduce\(\ce{NADPH}\) a gliceraldehído 3-fosfato:
Se utilizan dos 3-fosfatos de gliceraldehído para construir la cadena de seis carbonos de fructosa mediante una condensación aldólica\(\left( \ce{C_3} + \ce{C_3} \rightarrow \ce{C_6} \right)\), pero el nucleófilo donante en esta reacción es el éster fosfato de dihidroxipropanona, que es un isómero del gliceraldehído 3-fosfato. Por lo tanto, el reordenamiento de la\(\ce{C_3}\) aldosa a la\(\ce{C_3}\) cetosa (del tipo descrito en la Sección 20-2D) precede a la adición de aldol. (Para una discusión sobre el mecanismo de la reacción enzimática aldólica, ver Sección 17-3F.) La fructosa 1,6-difosfato formada se hidroliza luego a fructosa 6-fosfato:
Por lo que hemos descrito hasta ahora, solo se ha agregado un átomo de carbono de la atmósfera, y aunque hemos llegado a fructosa, en el proceso se consumieron cinco carbonos previamente reducidos. Así la planta tiene que recuperar un azúcar de cinco carbonos de un azúcar de seis carbonos para perpetuar el ciclo. En lugar de dividir un carbono y usarlo como un bloque de construcción para construir otros azúcares, se lleva a cabo una increíble serie de transformaciones que pueden resumirse mediante las siguientes ecuaciones:
Estas reacciones tienen varias características en común. Todos involucran ésteres de fosfato de aldosas o cetosas, y se asemejan a condensaciones aldólicas o aldólicas inversas. Sus mecanismos no serán considerados aquí, sino que se discuten de manera más explícita en las Secciones 20-10A, 20-10B y 25-10. Su suma es\(\ce{C_6} + 3 \ce{C_3} \rightarrow 3 \ce{C_5}\), lo que significa que la fructosa 6-fosfato como\(\ce{C_6}\) componente reacciona con un total de tres\(\ce{C_3}\) unidades (dos gliceraldehído 3-fosfatos y un fosfato de dihidroxipropanona) para dar, en última instancia, tres 5-fosfatos de ribulosa. Aunque la secuencia puede parecer compleja, evita construir cadenas de pentosa o hexosa de un carbono a la vez a partir de intermedios de un carbono.
El ciclo de Calvin se completa con la fosforilación de\(D\) -ribulosa 5-fosfato con ATP. El resultante\(D\) -ribulosa 1,5-difosfato se utiliza entonces para iniciar el ciclo nuevamente combinándolo con dióxido de carbono. Hay una sexta parte más de fructosa que se usa para construir otros carbohidratos, notablemente glucosa, almidón y celulosa.
\(^8\)Todas las reacciones que vamos a discutir están mediadas por enzimas, y en adelante omitiremos la mención explícita de este hecho. Pero no hay que olvidar que todos estos son procesos inducidos por enzimas, para los cuales tenemos pocos, si los hay, reactivos de laboratorio para duplicar sobre los compuestos particulares involucrados.
\(^9\)En adelante, en ecuaciones, designaremos los diversos ácidos que encontramos como los aniones fosfato y carboxilato, aunque esto no es razonable a los valores de pH normales en las células vivas. Los ácidos glicérico y fosfórico solo se ionizan parcialmente a pH 7-8. Sin embargo, sería igualmente poco realista representar a los ácidos como totalmente no disociados.
Colaboradores y Atribuciones
- John D. Robert and Marjorie C. Caserio (1977) Basic Principles of Organic Chemistry, second edition. W. A. Benjamin, Inc. , Menlo Park, CA. ISBN 0-8053-8329-8. This content is copyrighted under the following conditions, "You are granted permission for individual, educational, research and non-commercial reproduction, distribution, display and performance of this work in any format."