Fotosíntesis: ¿Qué es la Fotosíntesis? Proceso, Fases, Definición, Etapas, Importancia

Definición de Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso de nutrición de las plantas, a través del cual transforman el agua que absorben de las raíces u otros órganos y el anhídrido carbónico que adquieren por los estomas, en sustancias orgánicas sencillas.

Producción de compuestos orgánicos a partir de dióxido de carbono utilizando energía lumínica y agua, liberándose oxígeno como subproducto.

En la fotosíntesis, existen dos series de procesos, uno que se da en presencia de luz, y que recibe el nombre de fase fotosintética, y otro que sucede sin luz, llamado fase quimiosintética, mal llamada fase oscura.

Su ecuación es 6CO2+12H2O+energía lumínica→C6H12O6+6H2O+6O2.

¿Qué es la Fotosíntesis?

La vida en el planeta Tierra se mantiene fundamentalmente por la energía proveniente del sol que es aprovechada a través de fotosíntesis que se realiza en los  cloroplastos de  las algas en el medio acuático, principalmente en el océano y las plantas en el medio terrestre.

El proceso de fotosíntesis convierte materia inorgánica como dióxido de carbono, agua, nitratos, fosfatos y energía de fotones de luz, en productos finales de carbohidratos que contienen energía para llevar reacciones bioquímicas que generan tejidos orgánicos en casi todos los organismos vivos además de liberar moléculas de oxígeno a la atmósfera siendo fundamentales para la vida en la Tierra.

La fotosíntesis transforma alrededor de 100 mil millones de toneladas de carbono en materia orgánica cada año.

El proceso de fotosíntesis está limitado por la intensidad de la luz, la concentración de materia (dióxido de carbono) y la temperatura (calor).

A medida que aumenta la intensidad y la energía de la luz, la fotosíntesis aumenta proporcionalmente hasta que es limitada por otro factor.

Un aumento en la concentración de dióxido de carbono aumenta la tasa en la que el carbono es incorporado en carbohidratos en la reacción del estroma, por lo que la fotosíntesis aumenta hasta que es limitada por otro factor.

A medida que las enzimas que llevan a cabo la fotosíntesis alcanzan su temperatura óptima, la fotosíntesis aumenta. Arriba de la temperatura óptima, la tasa decrece hasta que se detiene. En otras palabras, a medida que se alcanza un calor determinado en el material de los cloroplastos se crea suficiente resistencia para bloquear el proceso de fotosíntesis.

La fotosíntesis inicia cuando un fotón de luz visible es absorbido por un electrón de materia en la molécula de la clorofila en un “fotosistema” o “antena” insertada en la membrana de los tilacoides dentro del cloroplasto, donde pueden ocurrir 3 cosas: que la energía se disipe como calor, que se emita en ondas electromagnéticas más grandes o que inicie la fotosíntesis.

Los organismos unicelulares tienen únicamente el fotosistema II. El resto de las plantas usa el fotosistema II y el fotosistema I de forma simultánea. Cada fotosistema está asociado con un aceptor y un donador de electrones.

Los electrones en un fotosistema participan de manera entrelazada en todo el sistema. Cuando dos electrones de clorofila “a” P680  del Fotosistema II absorben 2 fotones de luz, estos aumentan su nivel de energía para dar un salto hacia el aceptor de electrones del fotosistema.

En este proceso de entrelazado, los fotones interactúan con dos moléculas de agua presentes en el interior del tilacoide, afectando sus enlaces químicos y descomponiéndolas en iones de hidrógeno H+ (que permanecen en el estroma), iones de oxígeno (que se unen entre sí para ser liberados a la atmósfera) y electrones libres. Este proceso se llama fotólisis (2H2O + 2 fotones   4H+ + O2 + 4e-).

La molécula oxidada de clorofila P680 (con potencial redox de 1.3 volts) tomará dos electrones libres de la fotólisis del agua usando energía de fotones captada por otros pigmentos.

Los dos electrones energizados se liberan hacia moléculas aceptoras (plastoquinona) que residen en la membrana del tilacoide, comenzando una reacción electroquímica de corriente eléctrica basada en reducción-oxidación.

Desde el nivel energético más alto, el electrón “descenderá” hacia estados energéticos más bajos a través de una cadena transportadora de electrones en la que participa una molécula llamada “plastoquinona”, el complejo del citocromo b6f y una proteína llamada plastocianina, que es una proteína cúprica que transfiere electrones entre la molécula de clorofila FSI y el citocromo b6f del FSII.

Durante este proceso, el intercambio de energía entre electrones libera fotones de energía que descomponen moléculas de H2O en iones de hidrógeno H+, iones deoxígeno y electrones libres.

La “plastoquinona” (PQ) acepta entonces 2 protones de H+ del estroma para formar plastoquinola (PC), mientras que simultáneamente bombea iones de H+ del estroma hacia dentro de los tilacoides usando la energía de los fotones de luz liberados durante el transporte a medida que los electrones intercambian energía hacia el aceptor final que es el “citocromo b6f”, que finalmente transporta electrones energizados del FSII al FSI.

Dentro de los tilacoides, los protones de H+ se concentran y se difunden de las partes con más alta concentración a las de más baja concentración. Al mismo tiempo protones de H+ se disipan hacia el estroma, generando energía que permite que la enzima ATP-sintasa (situada en la membrana de los tilacoides) sintetice ADP (adenosin difosfato) y fosfato para formar ATP (adenosín trifosfato), con una eficiencia cercana al 100%. Las moléculas de ATP son liberadas hacia el estroma, este proceso se llama fotofosforilación.

Los fotones de luz también pueden interactuar con los electrones de los pigmentos de clorofila en el fotosistema I (FSI) para ser absorbidos y llevar a los electrones a niveles de energía inferior para ser transportados hacia otras moléculas aceptoras. La molécula de clorofila P700 oxidada tomará los dos electrones provenientes de la cadena de transporte del FII.

Los dos electrones energizados se desplazarán a otras moléculas aceptoras (ferredoxina) generando una nueva cadena de reacciones electroquímicas con corriente eléctrica donde el aceptor final es una molécula oxidada de Nicotinamida Adenina Dinucleotido Fosfato (NADP+), que tomará dos electrones y dos iones dehidrógeno H+ de la descomposición de H2O en el estroma para formarse en NADPH2, bajo la siguiente forma: NADP+ + 2e- + 2H+   NADPH2. El NADPH2 será desprendido hacia el estroma y sustituido por otra molécula de NADP+.

Ahora que se han generado moléculas ATP y NADPH2 que contienen energía química almacenada generadas por el proceso anterior, la siguiente fase de la fotosíntesis ocurre en el estroma de los cloroplastos donde hay moléculas de agua, dióxido de carbono proveniente del aire, ADN, ribosomas, gránulos, grasas, gránulos de almidón, protones de hidrógeno H+ y otras sustancias como la enzima RuBisCO.

El proceso inicia cuando 1 molécula de dióxido de carbono es capturada por medio de la enzima RuBisCO para unirla a 1 molécula “ribulosa 1,5-bifosfato” (RuBP) que es una azúcar de 5 carbonos usando energía de electrones de las moléculas ATP y NADPH2 e indirectamente energía de fotones de luz, generando una molécula inestable de 6 carbonos que se rompe por medio de ATP y NADPH2 , atándole fosfatos y fosforilatos para formar dos moléculas de gliceratos trifosfato de 3 carbonos y un fosfato o “ácido fosfoglicérico” llamado PGA. A esta fase se le llama“fijación de carbono”.

Las moléculas PGA se pueden acumular en el estroma dentro de los cloroplastos para formar almidón o pueden ser exportadas al citoplasma de la célula vegetal para formar sacarosa y alimentar a los tejidos no-fotosintéticos.

Posteriormente la molécula PGA obtiene electrones de fosfato de las moléculas ATP y NADPH2. Primero, la molécula PGA se convertirá en “ácido 1,3-bifosfoglicérico” usando el fósforo de 1 molécula de ATP. Luego este compuesto será reducido por el NADPH2 para formar el “gliceraldehído 3 fosfato”, o molécula PGAL. Esta etapa se llama “fase de reducción”. Las moléculas PGAL seguirán diferentes rutas en la siguiente fase.

Finalmente 1 molécula de PGAL se removerá del ciclo como producto para sintetizar sacarosa, celulosa, glucosa, fructuosas, grasa y otras moléculas de energía que se usan para formar varios compuestos orgánicos, como celulosa, lípidos y aminoácidos para alimentar a otros tejidos de la planta. Las 5 moléculas restantes de PGAL se convierten en ATP para formar nuevamente 1 molécula de “ribulosa 1,5-bifosfato” (RuBP) e iniciar el ciclo nuevamente. Esta etapa es la “fase de regeneración de ribulosa”.

En una vuelta de ciclo de tres ribulosas bifosfato se consumen 9 ATP, 6 NADPH2 y 3 moléculas de agua y fonones de calor. Al final del producto salen 9 moléculas de ADP, 6 de NADP+ que se reintegran al proceso luminoso.

Fases de la fotosíntesis

La energía ingresa a los ecosistemas en forma de luz solar a través de la fotosíntesis. En este proceso, los vegetales capturan en la clorofila la energía contenida en la luz solar con el fin de fabricar materia orgánica como la glucosa a partir del dióxido de carbono y del agua (figura 1).

La clorofila es una compleja molécula orgánica de color verde ubicada dentro de los cloroplastos de las células vegetales. Para que ocurra el intercambio gaseoso (CO2 y O2), las hojas de las plantas tienen unos poros llamados estomas por donde penetra el dióxido de carbono (CO2) y se libera el oxígeno (O2) que todos los seres vivos necesitan.

El proceso de la fotosíntesis consta de dos etapas o fases: la fase inicial o lumínica y la fase secundaria u oscura.

Fase inicial o lumínica

En esta fase participa la luz solar. La clorofila capta la energía solar (luz), y se rompe la molécula de agua. Es decir, en presencia de luz se rompe el enlace químico que une el hidrógeno con el oxígeno en la molécula de agua, y debido a esta ruptura se libera el oxígeno hacia el medio ambiente. El hidrógeno que se produce, se “guarda” para ser usado en la segunda etapa de la fotosíntesis: la fase secundaria u oscura.

Por otra parte, el resto de la energía de la clorofila activada por la luz se almacena en una molécula especial llamada adenosintrifosfato (ATP).

Fase secundaria u oscura

Esta fase, que ocurre en los cloroplastos, se llama así porque no requiere de la energía de Ia luz, a pesar de que puede haber luz presente.

En esta fase, el hidrógeno y el ATP formados en la etapa lumínica, en presencia de CO2, dan origen a una serie de reacciones químicas, en las cuales se van formando compuestos por la unión de átomos de C, H y O, hasta llegar a formar la glucosa que es el compuesto orgánico final de la fotosíntesis.

La glucosa es una molécula orgánica que está formada por C, H, O; por eso se llama (carbohidrato), y es altamente energética.

 

Las moléculas de glucosa producida en la fotosíntesis circulan a través de la planta y son utilizadas por ella para su desarrollo, crecimiento y reproducción, o se almacena como almidón.

El proceso de fotosíntesis es de gran importancia, ya que gracias a él la energía lumínica se transforma en energía química en la síntesis de la glucosa, que es la fuente de alimento de los vegetales mismos y de los primeros organismos consumidores de la cadena alimentaria (herbívoros).

Los herbívoros son la fuente de alimento de los carnívoros y de esta forma se originan las relaciones de dependencia entre los organismos que componen las redes alimentarias.

Factores que afectan la tasa fotosintética:

  • La concentración de CO2 atmosférico.

  • La luz solar.

  • La disponibilidad de agua.

  • La temperatura.

Proceso de la fotosintesis

El proceso biológico más importante de la Tierra es la fotosíntesis de las plantas verdes. A partir de ésta se produce prácticamente toda la materia orgánica de nuestro planeta y se garantiza toda la alimentación de los seres vivos.

De este proceso químico y biológico dependen tres aspectos de suma importancia:

· Por la fotosíntesis las plantas verdes producen alimentos y materia orgánica para si mismas y para alimentar a los animales herbívoros, y éstos, a su vez, a los animales carnívoros.

· Se vuelve a utilizar el dióxido de carbono ICO,) producido por los animales y por los procesos de putrefacción o descomposición. De otra manera el CO, saturaría el planeta.

· Se restituye el oxigeno al aire y se hace posible la respiración.

Las plantas verdes poseen en su estructura celular orgánulos especiales denominados cloroplastos, que tienen la cualidad de llevar a cabo reacciones químicas conocidas como fotosíntesis, o sea, de realizar síntesis con ayuda de la luz solar.

La fotosíntesis consiste en los siguientes procesos:

· El dióxido de carbono (CO2 ) es absorbido por los estamos de las hojas, y junto con el agua (H2O), que es absorbida por las raíces, llegan a los cloroplastos, donde con ayuda de la energía de la luz se produce la glucosa (C6 H12 O6).

· Durante esta reacción se produce oxígeno (O2), que es emitido al aire o al agua y es utilizado para la respiración de otros seres vivos. la fórmula sencilla de la reacción química es la siguiente:

6 CO2 + 12 H2O + energía de la luz = C6 H12 06 + 6 O2 + 6 H2O

Esto significa que se usan 6 moléculas de dióxido de carbono (CO2) más 12 moléculas de agua (H2O) más energía de la luz para producir una molécula de glucosa (C6 H12 O6) más 6 de oxígeno (O2) y quedan 6 moléculas de agua (H2O).

· A partir de la glucosa (C6 H12 O6) un azúcar muy común en las frutas, se producen la sacarosa, el almidón, la celulosa, la lignina o madera y otros compuestos, que son la base de los alimentos para las plantas mismas y para los herbívoros.

Mediante el proceso de la fotosíntesis la energía solar es acumulada en forma de compuestos químicos, que al ser consumidos por los seres vivos liberan esa energía y sirven para mantener los procesos vitales en las células (calor, movimiento, etc.).

De la fotosíntesis depende la alimentación de todos los seres vivos sobre la Tierra, incluido el hombre, en forma directa (herbívoros) o indirecta (carnívoros, carroñeros, detritívoros, etc.). Sin plantas verdes no sería posible la existencia ni de los animales ni de los seres humanos. Es más, las fuentes de energía orgánica (carbón, petróleo, gas natural y leña) no son otra cosa que energía solar acumulada y liberada en los procesos de combustión, mediante la cual se mueve en gran parte la sociedad moderna (vehículos, cocinas, fábricas, etc.).

Es por esto que el proceso final de combustión de estas fuentes de energía orgánica produce agua y dióxido de carbono. Cuando la combustión es imperfecta o los combustibles orgánicos contienen impurezas la combustión, como la de los motores, produce elementos contaminantes, que pueden afectar al ambiente y a la salud de las personas.

Etapas de la fotosíntesis

Fase Oscura

(Que ocurre con luz o sin luz), en la cual las sustancias químicas ATP y NAPH2 generadas durante la primera fase, se utilizan para reducir el dióxido de carbono a un azúcar simple.

Dióxido de carbono y formación de azúcar. El Dr. Melvin Calvin determinó la secuencia de reacciones que ocurren en el proceso fotosintético durante la oscuridad. Las reacciones en la oscuridad se relacionan con el desdoblamiento del dióxido de carbo, que tiene lugar en el estroma. Ahora el hidrógeno que proviene del agua, se combina con el dióxido de carbono que absorbió la planta. En este proceso se tiene que utiliza toda la energia acumulada en la fase anterior (fase luminosa). Como resultado de esto, se forman molécula llamadas Azúcares, mejor conocidas como glucosa y fructosa.

Ciclo de Calvin: Es un ciclo de reducción del carbono, es parecido al ciclo de KREBS porque ambos terminan en el compuesto inicial. Los pasos más importantes de esta fase en la oscuridad son los siguientes:

Este ciclo comienza cuando el dióxido de Carbono (CO2) que proviene del aire es fijado por una molécula preexistente en la planta, que es un azúcar de cinco carbonos unida a dos grupos fosfatos.

  1. La molecula que contiene seis carbonos, se rompe, formando dos moléculas de tres carbonos cada una.

  2. Cada molécula de tres carbonos es reducida por el hidrógeno procedente del NADPH2, que es producido en la fase de la oscuridad, utilizando la energía del ATP.

  3. Algunas de estas moléculas de azúcar se convierten en glucosa como producto de la fotosíntesis y el resto se transforma en moléculas de cinco carbonos para combinarse otra vez con el CO2 y comenzar de nuevo el ciclo.

Fase luminosa

Es cuando la energía radiante del sol es absorbida por pigmentos vegetales, principalmente por un pigmento verde denominado clorofila, localizado en los cloroplatos.

Reacciones a la luz: Estas reacciones fueron estudiadas por el Dr. Daniel Arnon y sus colaborados, quienes demostraron que cloroplastos enteros, aislados de hojas espinacas, podían llevar a cabo la fotosíntesis completa.  En los cloroplastos encontramos dos tipos de clorofila: a y b, que difieren en su estructura molecular y en su forma de absorber la energía solar. Las reacciones luminosas ocurren en dos fases o sistemas:Uno cíclico y otro no cíclico, los cuales comienzan cuando la energía luminosa es absorbida por la molécula de clorofila a.

Fase ciclica

La luz está constituida por particulas de alta energía llamadas fotones. Los electrones de la molécula de clorofila a, al ser alcanzados por un fotón, aumenta su nivel energético; en este caso, se dice que la molécula de clorofila está en estados de ''Excitacion''. Luego, el electron de alta energía pasa desde la molécula de clorofila excitada hasta una molécula aceptora de electrones (plastoquinona o ferrodoxina).A medida que esto ocurre, el electron desciende a niveles más bajos de energía hasta llegar al estado original en que se encontraba en la clorofila, lo que da como resultado la liberacion de la energía estra que se aprovecha en la formacion de enlaces de alta energía a partir de ADP y fosfatos inorgánicos, formándose ATP. Este proceso se denomina fotofosforilación. El ciclo se completa cuando el electrón regresa a la molécula de clorofila. Durante esta fase forman dos ATP por cada electrón transferido.

Fase no cíclica

En esta fase se originará el hidrógeno necesario para la elaboración fotosintética de alimentos. Esto ocurre cuando la molécula de clorofila b, al absorber la luz, pasa a un estado de alta energía, liberando electrones e iniciándose la cadena de reacciones no cíclicas, porque los electrones que se liberan en la clorofila no vuelven a ella. Esta clorofila excitada actúa sobre la molécula de agua y rompe, separandola en sus dos elementos: oxígeno, que se desprende y sale al exterior por los estomas, e hidrogeno, que es retenido por los aceptores o compuestos orgánicos encargados de transportar los elementos químicos de unas reacciones a otras. Este se denomina fotólisis del agua.

La funcion de la luz en la fotosintesis consiste en desdoblar la molecula de agua, que es el donador de hidrogeno en el proceso fotosintetico. Estas dos fases ocurren simultaneamente y enforma continua, aun cuando pueden actuar independientemente. Es el curso de estas reacciones, la energia luminosa se convierte en energia electrica -flujo de electrones-, y ésta, a su vez en energia quimica que se almacena en los enlaces NADPH y ATP.

Importancia de la Fotosíntesis

La fotosintesis es el conjunto de reacciones gracias a las cuales las plantas verdes a partir de la energía luminosa transforman el agua y el anhidrido carbónico en oxígeno y sustancias orgánicas ricas en energía.

Sin el proceso de la fotosintesis no sería posible la presencia del oxigeno en la atmosfera. Son muchos los seres vivos que dependen del oxigeno que se libera durante la fotosintesis. Y no solo del oxigeno desprendido sino que la mayor parte de estructuras de los seres vivos para su desarrollo necesitan los productos orgánicos formados durante la fotosintesis junto a materia inorgánica del propio media ambiente. Por tanto puede decirse que la materia que forma a los seres vivos está formada por materia organica.

Pero quizá el hombre depende de forma más directa de la fotosintesis que el resto de los animales, las plantas y animales emplean el oxigeno con una misión única de subsistencia mientras que el hombre no solo necesita la fotosintesis para vivir sino la creciente demanda de alimentos, el aumento de las necesidades hace que dependamos de una mayor cantidad de oxigeno y por tanto de fotosintesis.

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