Fotosíntesis

Fundamentos de óptica
La luz visible representa una pequeña parte del amplio rango de radiación continua llamado espectro electromagnético. En este espectro toda la radiación viaja como ondas. La longitud de onda es la distancia entre el pico de una onda y el de la próxima. La franja del espectro electromagnético con longitud de onda entre 380 y 760 nm (nanómetros) se llama espectro visible, ya que los humanos pueden verlo. El espectro visible incluye todos los colores del arco iris; el violeta tiene la longitud de onda más corta, y el rojo la más larga. La luz está compuesta de pequeñas partículas, o paquetes de energía, llamados fotones. La energía de un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda.

Cuando una molécula absorbe un fotón de energía luminosa, uno de sus electrones queda energizado, lo que significa que el electrón se transfiere de un orbital atómico de baja energía a otro orbital de alta energía más alejado del núcleo atómico. Entonces, la molécula puede seguir una de las dos vías que se muestran en la siguiente imagen.

En la fotosíntesis, los electrones excitados son capturados por moléculas aceptoras.

Los cloroplastos
En las plantas, los cloroplastos están principalmente dentro de la hoja en las células del mesófilo, una capa con múltiples espacios de aire y una muy alta concentración de vapor de agua, y cada una de estas tiene de 20 a 100 cloroplastos. El cloroplasto está rodeado por las membranas externa e interna. La membrana interna encierra una región llena de fluido llamada estroma, que contiene la mayor parte de las enzimas requeridas para producir moléculas de carbohidrato. En el estroma está suspendido un tercer sistema de membranas que forma un conjunto interconectado de sacos planos discoidales llamados tilacoide.

La membrana del tilacoide forma un espacio interior lleno de fluido, la luz del tilacoide. En algunas regiones del cloroplasto, los sacos de los tilacoides están acomodados en pilas o montones llamados grana o granos, estas membranas están implicadas en la síntesis de ATP (Adenosín trifosfato) una moneda energética.

Las membranas de los tilacoides contienen varios tipos de pigmentos, que son sustancias que absorben luz visible. Distintos pigmentos absorben luz de diferentes longitudes de onda. La clorofila, el pigmento fundamental de la fotosíntesis, absorbe luz sobre todo en las regiones azul y rojo del espectro visible. Las plantas por lo común son verdes porque la longitud de onda de la luz verde que incide en ellas se refleja.

Existen varios tipos de pigmentos de clorofila. El más importante es la clorofila a, que inicia las reacciones dependientes de luz en la fotosíntesis. La clorofila b es un pigmento accesorio que también participa en la fotosíntesis.

La fotosíntesis
Durante la fotosíntesis, una célula utiliza energía luminosa capturada por la clorofila para realizar la síntesis de carbohidratos. La reacción general de la fotosíntesis puede resumirse como sigue:

Las reacciones de fotosíntesis se dividen en dos fases: aquellas dependientes de luz (corresponde a la parte foto de la fotosíntesis) y aquellas reacciones de fijación de carbono (la parte síntesis de la fotosíntesis). Cada conjunto de reacciones ocurre en una parte distinta del cloroplasto: las reacciones dependientes de luz están asociadas con los tilacoides, y las reacciones de fijación de carbono ocurren en el estroma.

La energía luminosa se convierte en energía química en las reacciones dependientes de luz estas inician conforme la clorofila captura energía luminosa, causando que uno de sus electrones se mueva a un estado de mayor energía. El electrón energizado se transfiere a una molécula aceptoras y se reemplaza por un electrón del H2O. Cuando esto sucede, el H2O se rompe y se libera oxígeno molecular. Algo de energía de los electrones energizados se utiliza para formar ATP y NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato en su forma reducida) que se necesitan en las reacciones de fijación de carbono que necesitan energía.

La estructura de las moléculas de ATP y de NADPH producidas durante la fase dependiente de luz permite transferir energía química pero no para almacenarla por largos períodos. Por esta razón, parte de esta energía se transfiere a los enlaces químicos en los carbohidratos, que se pueden producir en grandes cantidades y almacenar para su uso posterior Conocidas como fijación de carbono, esas reacciones “fijan” los átomos de carbono del CO2 a cadenas carbonadas ya existentes de moléculas orgánicas. Las reacciones de fijación de carbono no tienen una directa necesidad de luz, así que previamente se les llamó reacciones “oscuras”.

Fase luminosa
Dos tipos de unidades fotosintéticas, designadas como fotosistema I y fotosistema II, participan en la fotosíntesis. Sus centros de reacción son distinguibles porque están asociados con proteínas de tal manera que causan un ligero desplazamiento en sus espectros de absorción. la clorofila a presenta un fuerte pico de absorción próximo a los 660 nm. En contraste, el centro de reacción del fotosistema I consiste en un par de moléculas de clorofila a con un pico de absorción en 700 nm, que se refiere como P700. El centro de reacción del fotosistema II está formado por un par de moléculas de clorofila a con un pico de absorción cercano a 680 nm, referido como P680. Cuando una molécula de pigmento absorbe energía luminosa, esa energía se transfiere, a través de un proceso conocido como resonancia, directamente de una molécula de pigmento a otra dentro del complejo.

Fase oscura
La fijación de carbono ocurre en el estroma mediante una secuencia de 13 reacciones conocidas como el ciclo de Calvin. Las 13 reacciones del ciclo de Calvin se dividen en tres fases: Absorción de CO2, reducción de carbono, y regeneración de RuBP. Todas las 13 enzimas que catalizan los diferentes pasos en el ciclo de Calvin están localizadas en el estroma del cloroplasto. Estas enzimas catalizan reacciones reversibles, degradando moléculas de carbohidratos en la respiración celular y sintetizando moléculas de carbohidratos en la fotosíntesis.