Funciones de los cloroplastos y fotosíntesis

Fotosíntesis

• La fotosíntesis es un proceso donde la energía solar se convierte en energía química en forma de azúcares.
• Es una serie de reacciones que se pueden dividir en dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y las reacciones de fijación de carbono (o reacciones independientes de la luz).
• La fotosíntesis requiere luz, agua, y dióxido de carbono para producir glucosa y oxígeno.
• La fórmula química general de la fotosíntesis es: 6CO2 + 12H2O + Luz → C6H12O6 + 6H2O + 6O2.
• Los organismos fotosintéticos (plantas, algas y cianobacterias) capturan alrededor del 1-3% de la radiación solar que llega a la Tierra.

Historia de la Fotosíntesis

• Jan Baptista van Helmont (1580-1644) realizó experimentos para estudiar cómo se alimentan las plantas, concluyendo que el aumento en masa de una planta se debe al agua.
• Joseph Priestley (1733-1804) descubrió que la vegetación añade "algo" al aire, vital para los organismos.
• Jan Ingenhousz (1730-1799) propuso que las plantas usan la luz solar para romper el dióxido de carbono (CO2) en carbono y oxígeno (O2). También demostró la importancia de la luz solar en el proceso.
• F.F. Blackman (1866-1947) concluyó que la fotosíntesis es un proceso de múltiples etapas y que una parte de ellas usa la luz directamente.
• Otros experimentos refinaron las conclusiones e identificaron la fórmula general de la fotosíntesis a finales del siglo XIX.
• C.B. van Niel (1897-1985) y otros científicos determinaron que el oxígeno liberado en la fotosíntesis oxigénica proviene del agua.
• Otros investigadores continuaron el trabajo de Priestley, van Helmont e Ingenhousz, desarrollando un mayor entendimiento del proceso de fotosíntesis.

Organismos que realizan fotosíntesis

• Algunas bacterias, cianobacterias, algas y plantas llevan a cabo la fotosíntesis.
• Las cianobacterias, las algas y las plantas realizan fotosíntesis oxigénica, produciendo oxígeno como producto de desecho.
• Algunas bacterias realizan fotosíntesis anoxigénica, no produciendo oxígeno.

Estructura de la Hoja y Cloroplastos

• Las plantas tienen una estructura específica para capturar la energía de la luz y convertirla en energía química.
• Los cloroplastos, las organelas dentro de las células vegetales, contienen pigmentos fotosintéticos, como clorofila, que absorben la luz.
• La clorofila absorbe mayormente la luz violeta-azul y roja, reflejando la luz verde.
• Los tilacoides son sacos aplanados dentro de los cloroplastos, donde ocurren las reacciones dependientes de la luz.
• El estroma es la región del cloroplasto donde ocurren las reacciones independientes de la luz.

Fotosistemas

• Los fotosistemas son complejos proteicos en las membranas tilacoidales que captan la luz y convierten la energía lumínica en energía química.
• Estructura del fotosistema: tiene un complejo de antenas para capturar fotones, y un centro de reacción que usa la energía capturada para excitar electrones.
• Los fotosistemas consisten en un gran complejo de proteínas que contiene clorofilas y otros pigmentos. Captan fotones de luz y transportan electrones excitados.
• El proceso de fotosíntesis involucra clorofila, complejos proteicos, y moléculas transportadoras de electrones, y se realiza en los cloroplastos.

Espectro de acción

• La eficacia relativa de diferentes longitudes de onda de luz en promover la fotosíntesis se conoce como espectro de acción.
• Corresponden al espectro de absorción de la clorofila.
• Diferentes tipos de pigmentos fotosintéticos absorben diferentes largos de ondas de luz visible.

Pigmentos fotosintéticos

• Los pigmentos fotosintéticos como clorofila a y clorofila b, y carotenoides, absorben la luz visible en diferentes longitudes de onda.
• El espectro de absorción de un pigmento es un gráfico que muestra qué longitudes de onda de luz son absorbidas por ese pigmento.
• Los carotenoides tienen anillos de carbono unidos a cadenas con enlaces sencillos y dobles, y pueden absorber una vasta gama de energías y forman una barrera contra los radicales libres.
• Son importantes en áreas oceánicas con poca luz.
• Las clorofilas a y b son pigmentos principales, y otros accesorios como los carotenoides expanden el espectro de luz absorbida para una fotosíntesis más eficiente.

Etapas de fotosíntesis

• Reacciones dependientes de la luz.
  • Captura de energía solar.
  • Producción de ATP y NADPH.
• Reacciones independientes de la luz (o ciclo de Calvin)
  • No requieren luz.
  • Usa ATP y NADPH para sintetizar moléculas orgánicas.
• El proceso de fotosíntesis ocurre en los cloroplastos y utiliza la luz solar para crear moléculas orgánicas de azúcares como glucosa.

Fotofosforilación cíclica

• Las bacterias de azufre utilizan un solo fotosistema para generar ATP.
• Los electrones regresan al centro de reacción para generar ATP mediante quimiosmosis, sin producir NADPH.

Cloroplastos de cianobacterias, plantas y algas

• Tienen dos fotosistemas conectados (fotosistema II y fotosistema I)
• Fotosistema II (P680): similar al de las bacterias púrpuras de azufre, tiene 2 moléculas de clorofila unidas, y contiene 4 átomos de manganeso que son esenciales para la oxidación del agua.
• Fotosistema I (P700): está compuesto por clorofila a y pigmentos accesorios.
• Ambos fotosistemas trabajan en series para generar ATP y NADPH a través de la cadena de transporte de electrones.
• Los dos fotosistemas se conectan por el complejo citocromo/b6-f.

Diagrama Z

• los electrones se excitan, se mueven a través de los complejos, y transportan hidrógeno para generar ATP y NADPH.

Tipos de fotosíntesis

• C3: Las plantas que utilizan el ciclo de Calvin.
• C4: Reacciones dependientes de la luz y fijación de carbono están separadas físicamente, usando PEP carboxilasa para una mayor afinidad con el CO2.
• CAM: Separación temporal de las reacciones dependientes de la luz, el ciclo de Calvin ocurre en la noche, abriendo los estomas para que el CO2 se difunda.

Fotorespiración

• En condiciones cálidas y secas, las plantas cierran los estomas para conservar agua lo que disminuye la entrada de CO2 y aumenta la concentración de O2. Esto genera fotorespiración, donde se libera CO2 y puede reducir la eficiencia de la fotosíntesis.

Ciclo de energía

• La fotosíntesis produce glucosa y oxígeno en plantas verdes y algas.
• La respiración celular usa glucosa y oxígeno para producir energía (ATP).
• La fotosíntesis y la respiración celular son procesos inversos que crean un ciclo continuo de energía.

Reacciones de fijación de carbono

Son reacciones independientes de la luz que ocurren en el estroma de los cloroplastos. La enzima RuBisCO (ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa) es central en estas reacciones. Fijación de carbono, reducción y regeneración de RuBP son las tres fases principales del ciclo de Calvin.

Otros

• NADP+ es una molécula transportadora de electrones en el proceso de fotosíntesis.
• La energía química se transforma en energía cinética.