Guía de estudio – FotosíntesisProfesor Gustavo Arriagada Bustamante

Primero medio. Unidad 2. Organismo ambiente y sus interacciones:Flujos de materia y energía en el ecosistema.

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Objetivos ContenidosReconocer a la fotosíntesis como mecanismo de formaciónde materia y energía en organismos autótrofos.Describir la función del cloroplasto en la fotosíntesisincluyendo el papel de la clorofila.

Características de la luz importantes para la fotosíntesis. Pigmentos y pigmentos fotosintéticos. Estructura y funcionamiento de los fotosistemas. Estructura de los cloroplastos. Descripción de las fases dependiente e independiente de la luz. Factores que afectan la tasa fotosintética.

Introducción

Los organismos autótrofos cosechan energía directamente del ambiente, y obtienencarbono a partir de moléculas inorgánicas. Las plantas y la mayoría de los autótrofossintetizan sus nutrientes gracias a un proceso bioquímico complejo con el cual usan laenergía de la luz solar para ensamblar carbohidratos a partir de dióxido de carbono yagua. Pero esto no se detiene aquí ya que, directa o indirectamente, la fotosíntesistambién alimenta a otras formas de vida en la Tierra. De hecho, para vivir losorganismos heterótrofos obtienen tanto la energía como el carbono al descomponermoléculas orgánicas armadas previamente por los autótrofos. En esta guía veremoscómo funciona la fotosíntesis, la fuente principal de energía para los heterótrofos y deloxígeno de nuestra atmósfera.

6 CO2 + 6 H2O→ C6 H12O6 + 6 O2

En la fotosíntesis se reconocen dos etapas: (a) una fase dependiente de la luz o fase clara en que ocurre la químicaque captura la energía lumínica y (b) una fase independiente de la luz o fase obscura en que se usa la energíacapturada para fijar átomos de carbono en moléculas más complejas. Por lo anterior, la fase obscura puede sucedertanto de día como de noche.

Propiedades de la luz

La mayor parte de la energía que llega a la superficie de la Tierra está en el forma de luz visible, que solamente unaparte muy pequeña del amplio espectro de la energía radiante del Sol. Al igual que todas las demás formas deenergía electromagnética, la luz viaja en ondas, organizada en paquetes de energía llamados fotones.

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La energía de un fotón y su longitud de onda se relacionan: todos los fotones que viajan en la misma longitud deonda tienen la misma cantidad de energía.

Los fotones que transportan la menor cantidad de energía tienen longitudes de onda largas; mientras los que llevanla mayoría de la energía son de longitudes de onda más cortas.

Los fotones de longitudes de onda más cortas que aproximadamente 380 nanómetros1 llevan suficiente energía paraalterar o romper los enlaces químicos de ADN y otras moléculas biológicas. Por eso UV (ultravioleta), rayos X y losrayos gamma son una amenaza para la vida.

Pigmentos fotosintéticos

El flujo de energía que viene del Sol, pasa a través de casi todoslos ecosistemas de la Tierra comienza cuando los organismosfotosintetizadores interceptan la energía de la luz. Lo hacen enun proceso divisible al menos en dos grandes etapas, quepermite incorporar la energía lumínica al interior del organismotransformándola en energía química. Quedará almacenada enuna molécula de ATP, hasta que sea necesaria para formar otrasmoléculas orgánicas más estables. Si es que hay fotosíntesis es debido a los llamados pigmentosfotosintéticos: se trata de compuestos químicos formados por launión de moléculas de lípidos y proteínas, que se encuentran enalgunas membranas biológicas y que son capaces de absorber laenergía de la luz.

Un pigmento es una molécula orgánica que absorbeselectivamente luz de longitudes de onda específicas. Laslongitudes de onda de luz que no son absorbidos se reflejan, y esta luz reflejada le da a cada pigmento su colorcaracterístico. Entonces, un pigmento que absorbe violeta, azul y verde claro refleja el resto de la luz de espectrovisible de color amarillo, naranja, y la luz roja. Para nosotros, aparecerá de color anaranjado.

Las plantas contienen una gran variedad de pigmentos que dan lugar a sus colores. Sin embargo, se denominapigmentos fotosintéticos solamente a los que tienen la capacidad de absorber la energía de la luz solar y hacerladisponible para el aparato fotosintético. En las plantas terrestres hay dos clases de pigmentos fotosintéticos: lasclorofilas y los carotenoides.

La clorofila a es el pigmento fotosintético más común en las plantas, en los protistas y las bacterias fotosintéticas.Los otros pigmentos fotosintéticos, llamados pigmentos accesorios, incluyen otras clorofilas, trabajan junto con laclorofila a cosechando una amplia gama de longitudes de onda de luz para la fotosíntesis.

Pigmentos accesorios son típicamente moléculas polivalentes. Sus propiedades antioxidantes protegen a las plantasy otros organismos de los efectos perjudiciales de la luz UV; suscolores atraen a los animales a la fruta madura o a los polinizadoresde las flores. Las zanahorias son de color naranja, ya que tienen unagran cantidad de beta-caroteno (β-caroteno). El color amarillo delmaíz (Zea mays) proviene de zeaxantina. Los tomates cambian deverde a rojo a medida que maduran porque sus cloroplastos quecontienen clorofila se transforman en cromoplastos que contienenlicopeno. Las rosas son rojas y las violetas son azules debido a sucontenido de antocianinas. La mayoría de los organismos fotosintéticos utilizan unacombinación de pigmentos.

Fotosistemas

Son dos complejos proteicos asociados a los pigmentos fotosintéticosel fotosistema 1 (PS I) y el fotosistema 2 (PS II). En cada uno de

1 Un nanómetro corresponde a una longitud de una mil millonésima de metro o una millonésima de milímetro. 1 nm = 10-9 m = 10 -6 mm

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Esquema de fotosistema

ellos se distinguen dos componentes: una antena colectora de luz y el centro de reacción. La antena está constituidapor pigmentos fotosintéticos que sólo pueden captar de la energía luminosa y transmitirla al centro de reacción,donde se encuentran los pigmentos diana que son capaces de transferir electrones y comenzar la cadena dereacciones químicas de la fotosíntesis.

Fotosistema 1 (PS I) Fotosistema 2 (PS II)

Rango de absorción de luz Mayor o igual a 700 nm Mayor o igual a 680 nm

Pigmentos fotosintéticos de la antera de la luz Clorofila a,clorofila b. Clorofila a, clorofila b, xantófilas.

Pigmentos fotosintéticos de centro de reacción Clorofila P700 Clorofila P680

En el centro de cada fotosistema existe un par especial de moléculas de clorofila a, son los aceptores primarios deelectrones.

Los cloroplastos

Los cloroplastos están formados por varioscompartimentos delimitados por membranas. Elmás externo es su membrana citoplasmáticadoble, por lo que existe un espaciointermembranoso. En el interior del organelo seencuentran los tilacoides que son sacosaplanados delimitados por una membrana yamontonados formando estructuras a modo depilas de monedas denominadas grana. Losdistintos grana están conectados entre símediante membranas. En las membranas de lostilacoides se sitúan las proteínas y moléculasresponsables de una realizar la captura de laenergía lumínica.

Además, se llama estroma al espacio interno delcloroplasto no ocupado por los tilacoides. Allíestá el ADN propio del cloroplasto y es dónde ocurre la fijación de carbono, la fase no dependiente de la luz.

Fase clara o dependiente de la luz

Cuando una molécula de la clorofila P680 del PSII absorbe unfotón, la energía de esta luz excita aun electrón del pigmentoelevándole su nivel de energía porun corto tiempo. Rápidamente, elelectrón emite como luz la energíaextra y cae de nuevo a su estado noexcitado. Esta energía va excitándoa sucesivos electrones de la antenade luz, hasta que la energía llegueal par de moléculas de clorofila del aceptor primario de electrones, entonces cada una de ellas pierdeun electrón (excitado por la luz) losque son enviados hacia unasecuencia de proteínas contenidasen la membrana del tilacoide, llamada cadena transportadora de electrones.

La energía liberada en la cadena transportadora de electrones permitirá formar ATP (adenosín trifosfato) a partir deADP (adenosín difosfato). A esta ganancia de fósforo gracias a la energía de la luz se la llama fotofosforilación delADP.

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Como la clorofila del PSII perdió dos electrones, estos son remplazados por electrones provenientes de la fotólisisde agua, que ocurre en la membrana del tilacoide. Esto es la rotura de la molécula de agua, que genera O,2 protones (H+) y los 2 electrones que irán al PSII. Los H+ se acumularán al interior del tilacoide y el oxígenofinalmente será liberado como O2.

Simultáneamente a lo anterior, la luz también llega a los pigmentos de la antena del PSI y es transferida hasta laclorofila P700 del centro de reacción, que al excitar a los dos electrones de la clorofila central, los hará llegar alaceptor primario de una segunda cadena transportadora de electrones. Finalmente, los electrones se transferirán a lamolécula de NADP+, que junto con los H+, formará NADPH.

La energía de la luz capturada por ambos fotosistemas queda contenida en las moléculasde ATP formadas por fotofosforilación y por la reducción del NADP+

que se transformará en NADPH.

Fase oscura o no dependiente de la luz

Esta etapa ocupa el NADPH y ATP formados en la fase clara, para fijar carbono convirtiéndolo en moléculas útiles al organismo. Todas estas reacciones ocurren en elestroma del cloroplasto y en su conjunto forman al llamado “Ciclo de Calvin”.

Se distinguen 2 etapas: fijación del CO2 y su reducción.

a) Fijación del CO2

El CO2 atmosférico difunde hasta el estroma del cloroplasto, donde la enzima llamada RUBISCO, lo une a una molécula de 5 carbonos, la RuDP (ribulosa difosfato). Así seforma un compuesto inestable de 6 átomos de C, que se romperá en dos moléculas de PGA (fosfoglicerato). Cada molécula de PGA tendrá 3 átomos de C.

b) Reducción del CO2 fijado previamente.

Consumiendo el ATP y el NADPH formados en la fase clara, el PGA es reducido (gana electrones) hasta gliceraldehido fosfato. Las moléculas de gliceraldehido fosfato podrán seguir estos dos caminos:

• La mayoría se usará para regenerar RuDP.

• El resto se empleará para la biosíntesis de glúcidos, aminoácidos y ácidos orgánicos.

En el Ciclo de Calvin, por cada molécula de CO2 atmosférico que se fija se necesitan 2 deNADPH y 3 de ATP.

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Melvin Calvin

Resumiendo

Para formar una molécula de glucosa (C6H12O6) se requerirán 6 de CO2 y 12 de H2O en lafase clara. 12 NADPH y 18 ATP desde la fase no dependiente de la luz.

Bibliografía

• Bravo A. Mauricio y otros. 2007. Manual esencial Santillana. Biología II. Santillana del Pacífico S.A.Santiago.

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• Educarchile. s.f. Naturaleza de la luz. Disponible en: < http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=133072 >

• Biologi 2. Disponible en: < http://mml.gyldendal.no/flytweb/default.ashx?folder=3097&redirect_from_tibet=true&root=3094 >

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