¿Prefieres comer muchos vegetales o, más bien, productos derivados de animales? En principio, todos los alimentos que comemos existen gracias a la fotosíntesis. Este proceso es realizado por organismos fotosintéticos, incluidas las plantas, las algas y algunas bacterias, los cuales producen su propio alimento utilizando luz solar como fuente de energía. Gracias a los organismos fotosintéticos, todos los demás organismos que no podemos crear nuestro propio alimento disponemos de comida, así como de oxígeno, que es un subproducto de la fotosíntesis.
En este artículo, realizaremos una descripción general del proceso de fotosíntesis, veremos qué moléculas son capaces de obtener energía proveniente de la luz y cuáles son la materia prima inicial y los productos finales globales del proceso.
¿Qué es la fotosíntesis?
La fotosíntesis se produce cuando organismos fotoautótrofos utilizan la energía lumínica del sol para convertir moléculas inorgánicas (concretamente, dióxido de carbono y agua) en moléculas orgánicas (carbohidratos, principalmente glucosa) y oxígeno. Se trata de una reacción de oxidación-reducción impulsada por la luz.
Una reacción de oxidación-reducción, llamada comúnmente redox, es una reacción química en la que se transfieren uno o más electrones de una molécula (que se oxida) a otra molécula (que se reduce).
Un organismo fotoautótrofo es el que captura energía de la luz para sintetizar compuestos orgánicos, a partir de compuestos inorgánicos. Las plantas, algas y algunas bacterias son fotoautótrofas.
La glucosa formada en la fotosíntesis proporciona energía a la planta y moléculas de carbono para fabricar una amplia gama de biomoléculas.
La fotosíntesis consta de dos etapas: la fase dependiente de la luz y la fase independiente de la luz. A veces llamamos a la fase independiente de la luz reacción oscura o ciclo de Calvin.
¿Dónde se produce la fotosíntesis en la planta?
La fotosíntesis tiene lugar en la hoja, específicamente en los cloroplastos.
Como muestra la Figura 1, las hojas también tienen múltiples adaptaciones celulares que permiten que se produzca la fotosíntesis. Estas incluyen:
- Células mesófilas alargadas, que: permiten que haya más cloroplastos en su interior. Los cloroplastos se encargan de recoger la energía luminosa del sol.
- Múltiples estomas, que permiten el intercambio gaseoso; por lo que hay una vía de difusión corta entre las células del mesófilo y los estomas. Los estomas también se abren y cierran, en respuesta a los cambios en la intensidad de la luz.
- Redes de xilema y floema que, respectivamente, llevan agua a las células de la hoja y transportan los productos de la fotosíntesis —concretamente, la glucosa—.
- Múltiples espacios de aire en el mesófilo inferior (esponjoso). Estos permiten una difusión más eficaz del dióxido de carbono y del oxígeno.
Los cloroplastos contienen clorofila, un pigmento verde que puede capturar la luz solar. La clorofila se encuentra en la membrana de los discos tilacoides, que son pequeños compartimentos dentro de la estructura del cloroplasto. La reacción dependiente de la luz tiene lugar a lo largo de esta membrana tilacoide. La reacción independiente de la luz tiene lugar en el estroma, un fluido dentro del cloroplasto que rodea a los discos tilacoides (llamados, colectivamente, grana).
A continuación, la figura 2 muestra la estructura general de un cloroplasto:
Reacción de la fotosíntesis
En las plantas, la reacción global de la fotosíntesis es: dióxido de carbono + agua + energía solar → glucosa + oxígeno
Al representarla como una ecuación química balanceada, se obtiene:
Como puedes ver, los productos globales de la fotosíntesis son la glucosa y el oxígeno.
Fases de la fotosíntesis
La fotosíntesis tiene 2 etapas principales: la fase luminosa (dependiente de la luz) y la fase oscura (independiente de la luz). Podemos dividir el proceso completo en cinco etapas más cortas.
Aquí describimos las etapas de forma general; puedes ver en más detalle los pasos y las reacciones en nuestros artículos de Fase luminosa y Fase oscura.
Fase dependiente de la luz
Llamada también fase luminosa, necesita de la luz solar para llevarse a cabo; es decir, que ocurre durante el día.
Los productos de las reacciones dependientes de la luz son: ATP, NADPH, iones H+ y oxígeno.
Etapa 1: Absorción de la luz
En la primera etapa, la clorofila en los tilacoides de los cloroplastos absorbe energía luminosa. Esto resulta en que uno de sus electrones se mueva a un estado de energía mayor. La clorofila se ioniza, cuando el electrón abandona la molécula de clorofila y es transportado por una cadena de transferencia de electrones —a través de la membrana del tilacoide, hasta una molécula aceptora—.
Etapa 2: Oxidación
El electrón perdido por la clorofila es reemplazado por un electrón proveniente de una molécula de agua. Para esto, el agua se divide en oxígeno, iones H+ y electrones. A continuación, los electrones son transportados por la plastocianina (proteína que contiene cobre y que media en la transferencia de electrones) para la siguiente parte de la fase luminosa.
La ecuación de esta reacción es:
En la oxidación, el agua se ha dividido en átomos de oxígeno e hidrógeno (protones). Los electrones provienen de los átomos de hidrógeno.
Etapa 3: Reducción
Los electrones producidos en la última etapa se utilizan para producir NADPH (NADP reducido). El NADPH es una molécula esencial para las reacciones independientes de la luz.
La ecuación para esta reacción es:
Etapa 4: Generación de ATP
En la etapa final de las reacciones dependientes de la luz, se genera ATP en la membrana tilacoide de los cloroplastos. El ATP, la adenosina 5-trifosfato, suele denominarse la moneda energética de la célula. Al igual que el NADPH, es esencial para las reacciones independientes de la luz.
La ecuación de esta reacción es:
El ADP es adenosina di-fosfato (contiene dos átomos de fósforo); mientras que el ATP tiene tres átomos de fósforo, tras la adición de una molécula de fósforo inorgánico (Pi).
Fase independiente de la luz
Es llamada también fase oscura, aunque este nombre puede ser confuso. Las reacciones independientes de la luz no se llevan a cabo necesariamente durante la noche; simplemente, no necesitan de luz para llevarse a cabo, ya que utilizan los productos obtenidos en la fase previa.
Etapa 5: Fijación del carbono
Esta fase ocurre en el estroma del cloroplasto. A través de una serie de reacciones, el ATP y el NADPH producidos anteriormente se utilizan para convertir el dióxido de carbono en glucosa. Es decir, se fijan o incorporan átomos de carbono del CO2 para formar moléculas de glucosa. Esta reacción es catalizada por la enzima ribulosa bifosfato carboxilasa oxigenasa, comúnmente conocida como rubisco.
La ecuación general para esto es:
Los productos de las reacciones independientes de la luz son glucosa, NADP+, ADP y Pi .
Puedes encontrar estas reacciones explicadas en el artículo de la Fase oscura.
Pigmentos fotosintéticos
Los pigmentos fotosintéticos son cruciales para la fotosíntesis, ya que son los que absorben los fotones (ondas de luz), la fuente primaria de energía para la planta. Tras absorber los fotones, los electrones contenidos en los pigmentos se excitan y aumentan su nivel de energía. Diferentes pigmentos absorben y reflejan diferentes longitudes de onda de luz, lo que permite a una planta obtener la mayor cantidad de energía posible de una sola fuente de luz.
Existen dos grupos de pigmentos fotosintéticos:
- Los pigmentos primarios —como la clorofila— pueden oxidarse y donar un electrón a la cadena de transporte de electrones en la fase luminosa.
- Los pigmentos accesorios —como los carotenoides, las antocianinas y las xantofilas— pueden transmitir esta energía a los pigmentos primarios.
Fotorrespiración
En períodos muy calurosos, como en verano, muchas plantas producen menos carbohidratos de lo que se espera por medio de la fotosíntesis. Lo que sucede es que, a altas temperaturas y un ambiente seco, los estomas se cierran para evitar la pérdida excesiva de agua en forma de vapor. Recuerda que tanto la entrada como la salida de gases en la hoja son reguladas por los estomas.
En este caso, el CO2 que la planta logró captar se agota rápidamente con la fotosíntesis, mientras que el O2 que se produce se acumula. La enzima rubisco, además de carbono, también puede unirse al oxígeno (como su nombre lo indica); al haber niveles altos, es más fácil que se una al oxígeno que al carbono.
Este proceso se llama fotorrespiración porque ocurre durante el día cuando hay luz. Al igual que la respiración aeróbica, utiliza oxígeno y produce CO2 y H2O (al contrario de la fotosíntesis que utiliza carbono y produce oxígeno). Pero, a diferencia de la respiración aeróbica, no se produce ATP; más bien, este es utilizado durante la fotorrespiración, por lo que la eficiencia de la fotosíntesis se ve reducida.
La fotorrespiración parece ser una desventaja para las plantas, ya que consume mucho del ATP formado y disminuye la producción de carbohidratos. La rubisco es una enzima muy antigua y, probablemente en sus inicios, cuando había mucha cantidad de CO2 en la atmósfera, no era problema que se uniera al oxígeno (el cual estaba en muy pocas cantidades). Las plantas que viven en condiciones extremas de calor, llamadas xerófitas, han desarrollado rutas especiales para la fotosíntesis, minimizando la fotorrespiración.
Fotosíntesis - Puntos clave
- La fotosíntesis es la fuente principal de toda la energía, moléculas orgánicas y oxígeno, que están disponibles para todos los otros organismos que no los producen (heterótrofos y aerobios).
- La fotosíntesis es una reacción redox, lo que significa que se ganan y se pierden electrones durante la reacción.
- La fotosíntesis en las plantas tiene lugar en los cloroplastos, los cuales se encuentran principalmente en las hojas. La clorofila, el principal pigmento fotosintético, está contenida en la membrana tilacoidal dentro de los cloroplastos.
- Durante la fase dependiente de la luz se produce ATP y NADPH, que funcionan como moléculas de energía y portadores de electrones. Se libera oxígeno como subproducto.
- Durante la fase independiente de la luz, se utiliza el ATP y NADPH obtenidos en la fase luminosa, para convertir el dióxido de carbono en glucosa, además de producir ADP y NADP.
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