Resultados de aprendizaje
- Identificar los reactivos y productos de la fotosíntesis
La fotosíntesis es un proceso de varios pasos que requiere luz solar, dióxido de carbono (que tiene poca energía) y agua como sustratos (Figura 1). Una vez completado el proceso, se libera oxígeno y se produce gliceraldehído-3-fosfato (GA3P), moléculas de hidratos de carbono simples (que tienen un alto contenido energético) que posteriormente pueden convertirse en glucosa, sacarosa o cualquiera de las docenas de otras moléculas de azúcar. Estas moléculas de azúcar contienen energía y el carbono energizado que todos los seres vivos necesitan para sobrevivir.
Figura 1. La fotosíntesis utiliza la energía solar, el dióxido de carbono y el agua para producir carbohidratos que almacenan energía. El oxígeno se genera como producto de desecho de la fotosíntesis.
La siguiente es la ecuación química de la fotosíntesis (Figura 2):
Figura 2. La ecuación básica de la fotosíntesis es aparentemente sencilla. En realidad, el proceso se desarrolla en muchos pasos que implican reactivos y productos intermedios. La glucosa, la principal fuente de energía de las células, se fabrica a partir de dos GA3P de tres carbonos.
Aunque la ecuación parece sencilla, los numerosos pasos que tienen lugar durante la fotosíntesis son en realidad bastante complejos. Antes de aprender los detalles de cómo los fotoautótrofos convierten la luz solar en alimento, es importante familiarizarse con las estructuras implicadas.
En las plantas, la fotosíntesis tiene lugar generalmente en las hojas, que constan de varias capas de células. El proceso de fotosíntesis ocurre en una capa intermedia llamada mesófilo. El intercambio gaseoso de dióxido de carbono y oxígeno se produce a través de unas pequeñas aberturas reguladas llamadas estomas, que también desempeñan un papel en la regulación del intercambio gaseoso y del equilibrio hídrico. Los estomas suelen estar situados en el envés de la hoja, lo que ayuda a minimizar la pérdida de agua. Cada estoma está flanqueado por células protectoras que regulan la apertura y el cierre de los estomas hinchándose o encogiéndose en respuesta a los cambios osmóticos.
En todos los eucariotas autótrofos, la fotosíntesis tiene lugar dentro de un orgánulo llamado cloroplasto. En el caso de las plantas, las células que contienen cloroplastos existen en el mesófilo. Los cloroplastos tienen una envoltura de doble membrana (compuesta por una membrana externa y una membrana interna). Dentro del cloroplasto hay estructuras apiladas en forma de disco llamadas tilacoides. En la membrana del tilacoide se encuentra la clorofila, un pigmento (molécula que absorbe la luz) responsable de la interacción inicial entre la luz y el material vegetal, y numerosas proteínas que componen la cadena de transporte de electrones. La membrana tilacoide encierra un espacio interno llamado lumen tilacoide. Como se muestra en la figura 3, una pila de tilacoides se denomina granum, y el espacio lleno de líquido que rodea al granum se denomina estroma o «lecho» (no confundir con estoma o «boca», una abertura en la epidermis de la hoja).
Pregunta de práctica
Figura 3. La fotosíntesis tiene lugar en los cloroplastos, que tienen una membrana externa y otra interna. Los montones de tilacoides llamados grana forman una tercera capa de membrana.
En un día caluroso y seco, las plantas cierran sus estomas para conservar el agua. ¿Qué impacto tendrá esto en la fotosíntesis?
Dos partes de la fotosíntesis
La fotosíntesis tiene lugar en dos etapas secuenciales: las reacciones dependientes de la luz y las reacciones independientes de la luz. En las reacciones dependientes de la luz, la energía de la luz solar es absorbida por la clorofila y esa energía se convierte en energía química almacenada. En las reacciones independientes de la luz, la energía química cosechada durante las reacciones dependientes de la luz impulsa el ensamblaje de las moléculas de azúcar a partir del dióxido de carbono. Por lo tanto, aunque las reacciones independientes de la luz no utilizan la luz como reactivo, necesitan los productos de las reacciones dependientes de la luz para funcionar. Además, varias enzimas de las reacciones independientes de la luz son activadas por ésta. Las reacciones dependientes de la luz utilizan ciertas moléculas para almacenar temporalmente la energía: Éstas se denominan portadores de energía. Los portadores de energía que trasladan la energía de las reacciones dependientes de la luz a las reacciones independientes de la luz pueden considerarse «llenos» porque son ricos en energía. Una vez liberada la energía, los vectores energéticos «vacíos» vuelven a la reacción dependiente de la luz para obtener más energía. La figura 4 ilustra los componentes del interior del cloroplasto donde tienen lugar las reacciones dependientes e independientes de la luz.
Figura 4. La fotosíntesis tiene lugar en dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin. Las reacciones dependientes de la luz, que tienen lugar en la membrana del tilacoide, utilizan la energía luminosa para producir ATP y NADPH. El ciclo de Calvin, que tiene lugar en el estroma, utiliza la energía derivada de estos compuestos para fabricar GA3P a partir de CO2.
Fotosíntesis en la tienda de comestibles
Figura 5. Los alimentos que el ser humano consume se originan a partir de la fotosíntesis. (crédito: Associação Brasileira de Supermercados)
Las principales tiendas de comestibles de Estados Unidos están organizadas en departamentos, como lácteos, carnes, productos agrícolas, pan, cereales, etc. Cada pasillo (Figura 5) contiene cientos, si no miles, de productos diferentes para que los clientes los compren y consuman.
Aunque hay una gran variedad, cada artículo se relaciona con la fotosíntesis. Las carnes y los lácteos se vinculan porque los animales fueron alimentados con alimentos de origen vegetal. Los panes, los cereales y las pastas proceden en gran medida de los granos con almidón, que son las semillas de las plantas que dependen de la fotosíntesis. ¿Y los postres y las bebidas? Todos estos productos contienen azúcar: la sacarosa es un producto vegetal, un disacárido, una molécula de hidratos de carbono, que se construye directamente a partir de la fotosíntesis. Además, muchos artículos se derivan de forma menos obvia de las plantas: por ejemplo, los artículos de papel son generalmente productos vegetales, y muchos plásticos (abundantes como productos y envases) pueden derivarse de las algas o del petróleo, los restos fosilizados de organismos fotosintéticos. Prácticamente todas las especias y aromatizantes del pasillo de las especias fueron producidas por una planta en forma de hoja, raíz, corteza, flor, fruto o tallo. En definitiva, la fotosíntesis está relacionada con cada comida y cada alimento que una persona consume.
En resumen: una visión general de la fotosíntesis
El proceso de la fotosíntesis transformó la vida en la Tierra. Al aprovechar la energía del sol, la fotosíntesis evolucionó para permitir a los seres vivos el acceso a enormes cantidades de energía. Gracias a la fotosíntesis, los seres vivos tuvieron acceso a la energía suficiente que les permitió construir nuevas estructuras y lograr la biodiversidad que se observa hoy en día.
Sólo ciertos organismos, llamados fotoautótrofos, pueden realizar la fotosíntesis; requieren la presencia de clorofila, un pigmento especializado que absorbe ciertas porciones del espectro visible y puede capturar la energía de la luz solar. La fotosíntesis utiliza dióxido de carbono y agua para ensamblar moléculas de carbohidratos y liberar oxígeno como producto de desecho a la atmósfera. Los eucariotas autótrofos, como las plantas y las algas, tienen unos orgánulos llamados cloroplastos en los que se realiza la fotosíntesis y se acumula el almidón. En los procariotas, como las cianobacterias, el proceso está menos localizado y ocurre dentro de membranas plegadas, extensiones de la membrana plasmática y en el citoplasma.
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