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Biología de bachillerato
Curso: Biología de bachillerato > Unidad 3
Lección 1: FotosíntesisFotosíntesis
El proceso de fotosíntesis transforma la energía luminosa en energía química almacenada al convertir dióxido de carbono más agua en azúcares más oxígeno liberado. La fotosíntesis se produce en dos fases: las reacciones que dependen de la luz y las reacciones que no dependen de la luz. Creado por Khan Academy.
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Hoy, vamos a hablar de la fotosíntesis. Hay muy poca vida en este planeta que
pueda existir sin la fotosíntesis. Es el precursor de casi todo
lo que ves a tu alrededor. Es la forma en la que pasamos de la luz
intangible del sol a los cuerpos físicos como los de los humanos o las hambrientas
orugas, las muy hambrientas orugas. Pero, ¿qué significa realmente la fotosíntesis? Oigo decir todo el tiempo que la
fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas fabrican azúcares a partir de
la luz. Y casi parece magia. La luz no es una sustancia. No está formada por los bloques
moleculares que componen toda la materia. Y, por lo tanto, no tiene masa. Puedes llenar una habitación de luz
y nunca te quedarás sin espacio. Entonces, ¿cómo podrías
hacer algo físico con la luz? Bueno, pues, no se puede. En cambio, la luz es una forma de energía, y la
energía es la capacidad de realizar un trabajo. Por ello, es útil conocer el origen de la palabra. La palabra fotosíntesis se compone de
dos palabras griegas. foto significa literalmente luz y síntesis significa
juntar, componer o reunir, así es. Además de ser biólogo, soy también
un poco etimólogo, solo un poco, lo justo para asegurarme de que puedo confundir
a las personas, tanto como me es posible. De cualquier forma, estamos usando literalmente
la luz para generar las reacciones que combinan algunos ingredientes y los convierten en nuevos
productos, es decir una forma de trabajo. Así que no estás transformando la luz en
azúcares. Estás tomando materia que ya existe en forma de seis moléculas de dióxido
de carbono y seis moléculas de agua líquida, y usando la energía del sol para impulsar
una reacción que las combina en una nueva sustancia que tiene oxígeno
molecular como subproducto. Piénsalo de esta manera. Cuando se
hornea un pastel, no se dice que se ha hecho un pastel a partir del calor. Sería
más exacto decir que tomaste harina, huevos, azúcar y mantequilla y usaste el calor para
combinarlos y transformarlos en algo nuevo. Siguiendo con nuestra analogía, los ingredientes
de la fotosíntesis son el dióxido de carbono de la atmósfera y el agua del suelo, por
su parte la luz hace el trabajo pesado. El dióxido de carbono y el agua se
juntan para producir un carbohidrato, palabra que literalmente significa carbono y agua. Como puedes ver en esta típica molécula de
un carbohidrato, en este caso la glucosa, su carbono está unido a los mismos átomos que
componen el agua: dos hidrógenos y un oxígeno. Este carbohidrato tiene más energía química
o energía de enlace que las moléculas de agua o de dióxido de carbono que
le sirvieron como ingredientes. Así, la energía al final del
proceso es mucho mayor que la que tenían los ingredientes al principio.
Esto significa que la fotosíntesis es una especie de reacción útil que almacena
energía como una gran celda solar bioquímica. A este tipo de reacciones
las llamamos reacciones endergónicas. Y ya puedes ver por qué son tan
valiosas en los sistemas biológicos. Tomas moléculas que no tienen mucha energía y las usas para producir algo
que puede realizar trabajo. Y la cocina donde todo este trabajo ocurre es
el cloroplasto. Literalmente, el fabricante verde. El cloroplasto es un pequeño organelo u
órgano presente en algunas células vegetales. Y es lo que hace que las células vegetales y,
en última instancia, las plantas, sean verdes. Y esto se debe a que los cloroplastos
llevan un pigmento verde llamado clorofila. Ahora bien, de la misma manera que la
palabra fotosíntesis puede descomponerse en sus dos raíces etimológicas, el proceso en
sí puede dividirse en dos pequeños segmentos. Me gusta pensar en ellos como una etapa
de carga, en la que la energía de la luz se convierte en energía química, y una etapa
de síntesis, en la que la energía se utiliza para realizar el trabajo de sintetizar el
producto final, normalmente un carbohidrato. Así, el primer segmento requiere la
entrada directa de luz y, por lo tanto, está formado por lo que se denomina
reacciones dependientes de la luz. Estas reacciones ocurren en unas secciones
del cloroplasto llamadas tilacoides, las cuales forman estos pequeños sacos ordenados. El interior se llama lumen y
el exterior se llama estroma. Cuando un fotón de luz termina
su viaje de ocho minutos desde la superficie del sol hasta
la superficie de una hoja, su energía es absorbida por la clorofila
incrustada en la membrana del tilacoide. Esta energía alimenta una bomba que, literalmente, carga el interior de los tilacoides como una
batería al mover los iones en su interior. A medida que la carga se acumula, la energía
puede utilizarse para realizar un trabajo. Ahora bien, el siguiente segmento de este proceso
ocurre fuera de los tilacoides, en el estroma. Una vez que tienen esta energía donde la
necesitan, los tilacoides la transfieren a una molécula llamada ADP, difosfato de adenosina.
Al añadir otro enlace de fosfato, lo convierten en ATP, trifosfato
de adenosina o adenosín trifosfato. Puede que hayas oído hablar de este. A menudo se le llama la “moneda energética
de la célula”. Prácticamente en todos los lugares donde se necesita energía para que la
célula realice un trabajo, interviene el ATP. También habrás oído que la energía se
almacena dentro de los enlaces de fosfato, y que al romperlos se libera la energía. Pero trata de recordar que estos
enlaces representados por las líneas en estos diagramas son sólo una convención. Realmente representan una adherencia
de estos átomos entre sí por medio de la atracción, y muestran dónde se adhieren. Pero la energía no está realmente en el
enlace, la atracción entre los átomos acumula energía potencial como una banda
elástica de la que se tira muy fuerte. Al soltarla, podría golpear un vaso de papel
y hacer el trabajo de desplazar ese vaso. Después, la banda elástica caería al suelo en un estado de baja energía ya que
ahora su energía se ha liberado. Así que, cuando pones la energía en
un sistema lo suficientemente grande como para superar la atracción entre
los átomos y forzarlos a separarse, rompiendo así los enlaces,
los átomos o, en este caso, todo un grupo de fosfato puede salir disparado
llevando consigo lo que era energía potencial. Si choca con algo con lo que pueda enlazarse,
esa energía se libera al formarse el enlace y puede utilizarse para realizar un trabajo.
Parecido a la magia del ATP, que se puede describir como energética porque es fácil romper
el enlace entre él y el último grupo de fosfato. Lo que significa que no necesitamos
invertir mucha energía en él y, a cambio, podemos obtener mucha energía. Así que volvamos a los tilacoides. Esos fotones de luz fueron capaces de generarnos una
molécula de ATP altamente energética. Pero el segundo segmento de
la fotosíntesis también va a necesitar algunos electrones. Esa
energía luminosa se utiliza para hacer el trabajo de cargar un acarreador de
electrones móvil con electrones y un protón. Este acarreador se llama NADP+.
Y cuando su carga está completa para realizar la siguiente serie de
reacciones, se le llama NADPH. Así que, en pocas palabras, esas son las
reacciones dependientes de la luz. La única otra cosa importante que probablemente
deberías recordar es que, bueno, aquí es de donde proviene todo el oxígeno en tus pulmones.
Así que, ya sabes, no es la gran cosa. Cuando la clorofila se excita por ese fotón
de luz, se convierte en un verdadero abusador. El trabajo que está haciendo crea un
poderoso desequilibrio electroquímico y la clorofila equilibra la ecuación
simplemente al robar un electrón del agua. Esto hace que el agua se rompa liberando su
oxígeno, el cuál la planta simplemente deja ir. Así que ahora que nos hemos ocupado
de la sección que depende de la luz, vamos a hablar sobre la
sección que no depende de ella. Las reacciones independientes de la luz o el ciclo
de Calvin ocurren en el estroma del cloroplasto. Y aquí es donde ocurre la reacción
química más trascendente de la Tierra y que permite toda la vida en este planeta:
la fijación del carbono gaseoso o inorgánico en las cadenas de carbono o dicho de
otra manera en el carbono orgánico. Y esto es tan importante porque la
fijación no se produce por sí misma. El CO2 en la atmósfera no forma cadenas orgánicas o azúcares cuando choca con más CO2
en la atmósfera. Requiere la ayuda de enzimas y moléculas energéticas
fabricadas por organismos vivos. Por eso, cuando amartizamos por
primera vez un rover en Marte, empezamos a buscar inmediatamente
la evidencia de moléculas orgánicas. Esta sería una prueba de que algún
ser vivo está o estuvo viviendo allí. En las reacciones independientes de
la luz, una enzima vegetal fija el dióxido de carbono del aire en una cadena de
carbono (fijación mediada por enzimas). Así que el ATP y el NADPH que se produjeron
en las reacciones dependientes de la luz, proporcionan la energía y los electrones
necesarios para crear dos moléculas energéticamente reactivas que pueden combinarse
para hacer glucosa u otras moléculas útiles. Y lo mejor es que los subproductos de las
reacciones independientes de la luz, el ADP y el NADP+, son transportados desde el estroma
de vuelta a los tilacoides para generar más reacciones dependientes de la luz, y donde pueden
ser recargados y reciclados para su uso posterior. Y, voilà, fotosíntesis. La conclusión es que
la fotosíntesis permite pasar de la energía intangible del sol a la energía química almacenada
en la que se sustenta la vida en este planeta. La energía del sol se convierte
en la energía química de una molécula de carbohidrato en el cloroplasto. Posteriormente esa molécula puede
descomponerse en la mayor parte de esa energía que es recuperada por la planta o por
las criaturas que se alimentan de esa planta. Toda la vida en la Tierra
está sustentada en el carbono. Y cada una de las moléculas de
ese carbono existió una vez en la atmósfera en forma gaseosa como
dióxido de carbono hasta que alguna planta o microorganismo emprendedor lo
sintetizó en algo que se puede utilizar. Y mientras todo esto sucedía, las plantas llenaban la atmósfera con el oxígeno que
todos necesitamos para respirar. Así que la próxima vez que veas una planta,
estrecha su hoja y dale las gracias.