La fotosíntesis es un proceso químico que las plantas y numerosos microorganismos utilizan para convertir dos compuestos inorgánicos (el dióxido de carbono y el agua) en compuestos orgánicos (hidratos de carbono), utilizando la energía del Sol para llevar a cabo la reacción.
Se trata del proceso de síntesis más importante en el mundo de los seres vivos.
Casi 50 mil millones de toneladas de carbono son fijados en compuestos orgánicos cada año mediante la fotosíntesis, la mayor parte a través del fitoplancton que vive en la superficie de los océanos.
Los compuestos orgánicos producidos son la fuente básica de alimento para todos los animales.
La producción continuada de oxígeno como producto de desecho de la fotosíntesis mantiene el alto nivel de oxígeno atmosférico (cerca del 21%) necesario para la respiración.
La fotosíntesis tiene lugar en los cloroplastos de las células de las plantas verdes.
Se trata de pequeños orgánulos rodeados por una membrana que contienen millones de moléculas del pigmento captador de la luz llamado clorofila.
Los cloroplastos se encuentran en todos los organismos fotosintéticos, excepto las bacterias fotosintéticas.
Se cree que se originaron a partir de bacterias fotosintéticas que invadieron otras células y posteriormente perdieron la capacidad de sobrevivir independientemente (teoría endosimbiótica).
La fotosíntesis de las plantas
La química en la fotosíntesis
El proceso de la fotosíntesis se puede describir como una ecuación:
Dióxido de carbono + agua + luz solar → glucosa + oxígeno.
Esta simplificación es muy útil para explicar lo que sucede, pero puede sugerir que el proceso se realiza en un solo paso, cuando en realidad consta de dos etapas.
Durante la primera etapa (la fase lumínica) la clorofila capta la energía existente en la luz del Sol y la transforma en energía química.
Al mismo tiempo, las moléculas de agua se dividen en átomos de hidrógeno y átomos de oxígeno. Este último es liberado al aire como producto de desecho.
El segundo paso (la fase oscura) no requiere luz. La energía captada en la primera fase es utilizada para unir el hidrógeno (procedente del agua) con dióxido de carbono para fabricar glucosa.
La glucosa puede ser convertida en otros hidratos de carbono: el almidón como reserva energética, la celulosa para fabricar las paredes celulares, las grasas como reserva y para la estructura de las células y las proteínas necesarias para la realización de procesos celulares así como para la estructura de las células.
Una planta necesita seis moléculas de dióxido de carbono (CO2) y seis moléculas de agua (H2O) para fabricar una única molécula de glucosa (C6H12O6); también se producen seis moléculas de oxígeno (O2). Una ecuación química simple que mostraría este proceso sería la siguiente:
6CO2 + 6H2O + luz solar → C6H12O6 + 6O2.
esquema fotosintesis
La fase lumínica en la fotosíntesis
El primer paso de la fase lumínica es la absorción de la luz por los pigmentos.
La mayor parte de las clorofilas captan la energía luminosa en las partes violeta y roja del espectro, mientras que formas distintas de clorofila y otros pigmentos (carotenoides y ficobilinas) absorben otras longitudes de onda de la luz y transfieren la energía a la clorofila.
La energía va pasando de una molécula de clorofila o otra hasta que finalmente se concentra en uno de los dos centros de reacción: fotosistema I y fotosistema II.
Estos últimos convierten la energía luminosa en energía química elaborando dos productos: el ATP y el NADPH.
La formación del ATP
Cuando una molécula de clorofila del fotosistema II capta la energía de la luz, es excitada químicamente y cede un electrón a un portador de electrones cercano.
El fotosistema II se convierte entonces en un aceptor de electrones que extrae electrones de las moléculas de agua y la escinde en hidrógeno y oxígeno. Una vez extraídos los electrones del agua, las moléculas de clorofila del fotosistema II vuelven a su estado normal de no-excitación, y los átomos de oxígeno son liberados como gas oxígeno.
Este proceso se denomina fotólisis del agua o reacción de Hill.
El electrón cedido pasa a través de una cadena de moléculas (la cadena de transporte de electrones) inserta en unas membranas del interior de los cloroplastos llamadas tilacoides, hasta alcanzar finalmente una molécula de clorofila del fotosistema I.
A medida que cada electrón pasa por esta cadena, la energía es captada y utilizada para convertir una molécula de ADP (adenosín difosfato) en una forma almacenadora de energía denominada ATP (adenosín trifosfato).
Este proceso se conoce como fotofosforilación.
La formación del NADPH
La luz absorbida por el fotosistema I también excita electrones.
Éstos pasan por otra cadena de transporte de electrones, que contiene diferentes moléculas transportadoras (entre las cuales se hallan las siguientes: la plastocianina, una proteína azul que contiene cobre; la plastoquinona; el citocromo b6 y la ferredoxina, una proteína que contiene hierro).
Al final de la cadena, los electrones son transferidos a un aceptor de electrones, una enzima llamada NADP (nicotinamida-adenina- dinucleótido-fosfato), que es posteriormente reducida mediante la reacción con los iones hidrógeno (protones) procedentes del agua liberados al principio del proceso. Como resultado de ello, el NADP se convierte en NADPH.
Los electrones perdidos por el fotosistema I son reemplazados por aquéllos, procedentes del fotosistema II, que van pasando por la cadena de transporte de electrones.
Así pues, mediante las reacciones de la fase luminosa, se forma ATP, NADPH y oxígeno.
La fase oscura de la fotosíntesis
El ATP y el NADPH son utilizados a continuación para llevar a cabo las reacciones del ciclo de Calvin (llamado así por el bioquímico norteamericano Melvin Calvin, quien fue el primero que dedujo la serie de reacciones cíclicas necesarias para fijar el carbono en los hidratos de carbono).
En el ciclo de Calvin, el dióxido de carbono atmosférico pasa a formar estructuras orgánicas que servirán de armazón para la síntesis de almidón y celulosa y para otros procesos celulares distintos.
A diferencia de la fase lumínica, que tiene lugar en los tilacoides, la fase oscura se realiza en el espacio existente entre tilacoides llamado estroma.
El ciclo de Calvin en la fotosíntesis
El ciclo de Calvin está constituido por una serie de pequeños pasos; cada uno de ellos está controlado por una enzima específica.
Una vez realizada la cadena de pasos, el producto final se convierte de nuevo en la molécula que había al inicio, y el ciclo se repite a sí mismo.
El dióxido de carbono absorbido por el cloroplasto se une primero a una molécula aceptora llamada bifosfato de ribulosa (un azúcar de cinco carbonos), que se regenera a cada vuelta del ciclo.
Su unión con el dióxido de carbono produce un compuesto con 6 átomos de carbono inestable que se divide inmediatamente en dos moléculas de compuesto con 3 carbonos, el 3-fosfoglicerato (GP).
El NADPH y el ATP producidos durante la fase luminosa son utilizados posteriormente para reducir estas moléculas de GP en dos moléculas de un azúcar con tres carbonos, el gliceraldehido 3-fosfato (GALP).
Algunas de las moléculas de azúcar van a ser convertidas en glucosa y las restantes se convierten en nuevas moléculas de ribulosa bifosfato, que permitirán continuar el ciclo de Calvin.
Las moléculas de glucosa se convierten posteriormente en almidón para su almacenamiento a corto plazo.
Los productos de la fijación del carbono no se utilizan únicamente para obtener energía –pueden convertirse también en compuestos estructurales y genéticos, como los hidratos de carbono, las proteínas, los lípidos y los ácidos nucleicos.
La fijación del carbono en las plantas tropicales
Determinadas plantas tropicales, como la caña de azúcar y el maíz, pueden captar dióxido de carbono mediante una sustancia llamada fosfoenolpiruvato (PEP), antes de liberar el dióxido de carbono al ciclo de Calvin.
Estas plantas se denominan plantas C4, puesto que el producto inmediato de la fijación del carbono es un compuesto de cuatro carbonos. (Las demás plantas se denominan C3 porque el primer producto estable de la fijación es el compuesto de tres carbonos llamado GP).
Las plantas C4 tienen una excepcionalmente alta afinidad con el dióxido de carbono, lo que les permite realizar la fotosíntesis de forma más eficaz que las plantas C3 en unas condiciones de luz solar intensa y altas temperaturas como las que se encuentran en los medios tropicales.
Algunas plantas de desierto pueden utilizar el sistema C4 para almacenar dióxido de carbono durante el día y convertirlo en hidratos de carbono durante la noche.
Esto les permite mantener sus estomas cerrados durante el calor del día, evitando la pérdida de agua, y abrirlos durante la noche, para realizar el intercambio gaseoso y el ciclo de Calvin.
