REACCIONES INDEPENDIENTES DE LA LUZ (REACIONES OSCURAS.)

El ATP y el NADPH sintetizado durante las reacciones luminosas se disuelven en el estroma. Ahí, proporcionan energía para potenciar la síntesis de glucosa a partir de bióxido de carbono y agua.

Las reacciones que finalmente producen glucosa reciben el nombre de reacciones oscuras, ya que pueden presentarse independientemente de la luz, siempre y cuando el ATP y el NADPH estén disponibles.

En el estroma de los cloroplastos, el ATP y el NADPH proporcionan la energía que conduce a la síntesis de glucosa a partir de CO2 y H2O. Las reacciones oscuras ocurren en un ciclo de reacciones químicas llamado de Calvin-Benson o ciclo C3.

El ciclo C3 tiene tres partes principales:

1. El paso de fijación de carbono, el CO2 y el H2O se combinan con bifosfato de ribulosa (BPRu) para formar ácido fosfoglicérico (PGA).

2. El PGA se convierte en fosofogliceraldehído (PGAL), utilizando energía del ATP y NADPH. El PGAL puede utilizarse para sintetizar moléculas orgánicas como la glucosa.

3. Se utilizan 10 moléculas de PGAL para regenerar seis moléculas de BPRu, utilizando otra vez la energía del ATP.

La fotosíntesis utiliza la energía de la luz solar para convertir moléculas inorgánicas de baja energía de bióxido de carbono y agua en moléculas orgánicas de energía elevada, como la glucosa.

REACCIONES LUMINOSAS.

Empiezan con la absorción de la luz por medio del complejo de producción de luz del fotosistema II. La energía luminosa energiza los electrones desde el centro del complejo, haciendo que sean expulsados. Los electrones son enviados al sistema de transporte de electrones del fotosistema II. Conforme los electrones pasan por el sistema de transporte, liberan energía. Parte de esa energía se utiliza para crear un gradiente del ion de hidrógeno que lleva a cabo la síntesis de ATP. Mientras tanto, la luz se absorbe mediante el complejo de producción de luz del fotosistema I.La energía luminosa libera electrones desde el centro de reacción que son captados por el sistema de transporte de electrones del fotosistema I. Los electrones perdidos a partir del centro de reacción son reemplazados por los que provienen del sistema de transporte del fotosistema II. (Parte de esta energía es captada como NADPH.) En general, la clorofila, “desprovista de electrones”, del fotosistema II atrae electrones desde las moléculas de agua. Una molécula de agua se desliza, donando electrones a la clorofila del fotosistema II y generando oxígeno como producto.REACCIONES OSCURAS.Las enzimas en el estroma del cloroplasto utilizan ATP y NADPH para sintetizar carbohidratos a partir de CO2 y H2O. En el proceso, el ATP y el NADP+ son regenerados y regresan a las reacciones lumínicas para ser recargados

b) Fotosíntesis

Las células vegetales captan una pequeña fracción de energía solar y la almacenan como energía química en moléculas orgánicas complejas. Siendo siempre necesaria la energía lumínica.

La luz y otros tipos de radiación están compuestos de paquetes individuales de energía llamados fotones. La energía de un fotón corresponde a su longitud de onda: los fotones de longitud de onda corta son muy energéticos, mientras que los fotones de longitud de onda larga tienen energía menor. La luz visible consta de longitudes de onda con energías que son lo suficientemente fuertes como para alterar la forma de ciertas moléculas de pigmento, pero lo bastante débiles como para no dañar moléculas tan esenciales como las de ADN.
Cuando la luz choca con un objeto, digamos una hoja, pueden suceder tres procesos: la luz puede absorberse, reflejarse (emitirse nuevamente) o transmitirse (pasar a través de). La luz que es absorbida puede calentar el objeto o intervenir en procesos biológicos, como la fotosíntesis. La luz que es reflejada o transmitida les da a los objetos su color.
Los cloroplastos contienen varios tipos de moléculas que absorben diferentes longitudes de onda de la luz.

La principal molécula que contienen los cloroplastos es la clorofila.
Los tilacoides también contienen otras moléculas, llamadas pigmentos accesorios, que captan la energía luminosa. Los carotenos absorben la luz azul y verde y se ven de color amarillo, anaranjado o rojo; las ficocianinas absorben el verde y el amarillo y se ven de color azul o púrpura. Debido a que todas las longitudes de onda de la luz se absorben en cierto grado, todas las longitudes de onda pueden efectuar fotosíntesis en cierto grado.
La clorofila, la molécula principal que capta energía en las membranas de los tilacoides, absorbe intensamente la luz violeta, azul y roja pero refleja la verde y, por lo tanto, las hojas se ven verdes.
En las plantas terrestres, la fotosíntesis generalmente sucede en las hojas.
Las células en el centro de una hoja, llamadas células del mesófilo, contienen los cloroplastos, los organelos de la fotosíntesis, en cuyo interior se localizan los tilacoides.
Las membranas del ticacoide contienen muchas copias de los llamados Fotosistemas I y II. Cada fotosistema consta de un complejo de captación de luz, pigmentos moleculares y un sistema de transporte de electrones
Dentro de los cloroplastos, la energía de la luz solar la absorben los pigmentos en las membranas de los tilacoides y esta energía se utiliza para síntesis de ATP (transportador de energía) y NADP (transportador de electrones); estas son las reacciones luminosas.

1. 2. Energética celular

a) Energía y vida
El mundo está lleno de organismos con vida interactuando constantemente entre sí en una intrincada red de actividad, pero ¿cómo trabaja este sistema?
La ENERGÍA que todo ser vivo necesita, proviene originalmente del sol: las plantas la toman y la transfieren a los seres que se alimentan de ellas.
El intercambio de materia y energía se da básicamente mediante dos procesos: la FOTOSÍNTESIS y la RESPIRACIÓN CELULAR .

Mitocondrias.

Las mitocondrias producen ATP mediante la utilización de la energía almacenada en las moléculas alimenticias.
Las mitocondrias reciben el nombre de “centrales eléctricas de las células”, ya que liberan energía a partir de una molécula alimenticia. El desdoblamiento se inicia en el citosol, pero éste carece de las enzimas necesarias para utilizar el oxígeno y desdoblar los alimentos. Este metabolismo anaeróbico (sin oxígeno) no convierte mucha de la energía de los alimentos a ATP.
Las mitocondrias son los únicos sitios dentro de una célula, en los que el oxígeno puede utilizarse en el desdoblamiento de los alimentos. Las reacciones del metabolismo aeróbico son mucho más eficaces en la generación de energía que las reacciones anaeróbicas; se genera de 18 a 19 veces más ATP por medio del metabolismo aeróbico, en las mitocondrias, que mediante el metabolismo anaeróbico en el citosol.
Las mitocondrias son sacos tubulares, ovalados o redondos que tienen un par de membranas; la externa es lisa y la interna se dobla y forma pliegues profundos, llamados crestas. Como resultado, las membranas mitocondriales incluyen dos espacios llenos de líquido, el compartimiento intermembranoso entre la membrana externa e interna y la matriz o compartimiento interno, por dentro de la membrana interna.
Algunas de las reacciones del metabolismo alimenticio ocurren en la matriz líquida contenida dentro de la membrana interna, mientras que el resto se efectúa por una serie de enzimas adheridas a las membranas de las crestas.

Cloroplasto

Son organelos citoplasmáticos presentes en las células vegetales. Se caracterizan por la presencia de pigmentos como la clorofila y los carotenoides, y por su papel fundamental en la fotosíntesis.
Además de los cloroplastos hay otros plástidos como los cromoplastos que dan color a los pétalos y frutos; los leucoplastos son plástidos incoloros; los proteinoplastos (cuerpos de proteína), los amiloplastos (almidón) y los oleosomas o elaioplastos, que pueden contener aceites esenciales.
Los cloroplastos son los plástidos más comunes y los de mayor importancia biológica. Por el proceso de fotosíntesis producen el oxígeno y la mayor parte de energía química que es utilizada por los organismos vivientes. Respecto del hombre puede decirse que cada molécula de O2 usada en la respiración y que cada átomo de carbono presente en su cuerpo pasó, alguna vez, por un cloroplasto. Poseen un diámetro de 4 a 6 nm, son de forma discoidal, y hay aproximadamente de 20 a 40 por célula. Son tres los componentes principales del cloroplasto: envoltura, estroma y tilacoide.

La envoltura tiene dos membranas: el estroma es un gel fluido que contiene el 50% de las proteínas en su mayoría solubles, posee ribosomas y ADN; los tilacoides son vesículas aplanadas que se superponen en los grana los cuales son pequeños granos de 0.3 a 1.7 nm incluidos en el estroma o matriz en el cual forman una especie de retículo. Los tilacoides contienen el otro 50% de las proteínas y todos los componentes esenciales de la fotosíntesis.
La fotosíntesis es el proceso por el cual la clorofila atrapa los quanta de luz (es decir, fotones o excitones) y los transforma en energía química. En cierto modo, la fotosíntesis constituye el proceso inverso a la fosforilación oxidativa de las mitocondrias.
La reacción global de la fotosíntesis es: De esta manera, usando el H2O como dador de hidrógeno y el CO2 de la atmósfera, se sintetizan carbohidratos y se libera O2. La fotosíntesis comprende una reacción fotoquímica (reacción de Hill), que ocurre en presencia de la luz, y una reacción en la oscuridad o termoquímica (Ciclo de Calvin). En la primera se libera O2 cuando los cloroplastos son expuestos a la luz; en la segunda se fija CO2 y se forman carbohidratos.

En las plantas superiores se encuentran dos tipos de clorofila: a y b.

Los cloroplastos, lo mismo que las mitocondrias, poseen su propio ADN, ARN, ribosomas y otros componentes que intervienen en la síntesis de proteína y producen cierta cantidad de éstas. Sin embargo, muchas más proteínas provienen del citosol por acción de los genes nucleares. De tal manera que estos organelos son semiautónomos y su funcionamiento depende de la cooperación entre dos sistemas genéticos (es decir, uno propio y otro que corresponde al resto de la célula).

Centriolos.

En las células animales, se encuentran un par de centriolos en el centro organizador de microtúbulos cercano al núcleo.
Los centriolos son anillos cortos, en forma de barril, formados por 9 tripletes de microtúbulos. Cuando una célula se divide, los centriolos se duplican y sólo un par se mueve hacia cada célula hija.
En las células ciliadas, los centriolos se multiplican y “los centriolos hijos” se mueven hacia la superficie de la célula adhiriéndose por debajo de la membrana celular y dando origen a los microtúbulos de los cilios.
Debido a su ubicación en la base del cilio, estos centriolos reciben el nombre de cuerpos basales.
Con frecuencia, los microtúbulos se asocian con pequeñas proteínas que viajan a lo largo de ellos, como las locomotoras en una vía férrea; estas proteínas se unen a diversos organelos y los llevan hacia el lugar adecuado en la célula, donde lo fijan utilizando al microtúbulo como andamio.
Cada Cilio y Flagelo contiene un anillo de nueve pares de microtúbulos fusionados, con un par no unido de microtúbulos en el centro del anillo (en un arreglo que recibe el nombre de “9 + 2”. Este patrón de microtúbulos lo produce un cuerpo basal (centríolo) situado justo por debajo de la membrana plasmática.
Cilios y Flagelos
Son delgadas extensiones de la membrana plasmática. Las principales diferencias entre cilios y flagelos radican en cuanto al número, la longitud y la dirección de la fuerza que generan.
En general, los cilios (del latín “pestaña”) son cortos (de 10 a 25 micras o micrómetros de longitud) y numerosos. Proporcionan fuerza en una dirección paralela a la membrana plasmática, como los remos de una canoa.
Un cuerpo basal consta de un anillo de nueve tripletes de microtúbulos cortos. Dos de los miembros de cada triplete dan origen a los pares de los microtúbulos que forman un cilio o un flagelo.
Para la inclinación de cilios y flagelos pequeños “brazos” proteicos se proyectan desde cada par de microtúbulos en el anillo externo. Estos brazos se unen al par vecino de microtúbulos y lo flexionan, ocasionando el movimiento del primer par en relación con el segundo.
Los microtúbulos adyacentes pueden deslizarse sobre otro sólo si el cilio o el flagelo completo se inclinan.

3. Citoesqueleto

Los organelos no flotan en el citoplasma de manera casual. En lugar de eso, la mayor parte de los organelos están unidos a una red de fibras proteicas, llamadas citoesqueleto. Aun las enzimas, que con frecuencia forman parte de vías metabólicas complejas, pueden estar ancladas en secuencia al citoesqueleto.
El citoesqueleto realiza las siguientes funciones importantes:
Forma celular. En las células sin paredes celulares, el citoesqueleto, en especial las redes de filamentos intermedios, determinan la forma de la célula.
Movimiento celular. El ensamblado, desensamblado y deslizamiento de los microtúbulos ocasiona el movimiento celular. El movimiento celular comprende tanto el movimiento “ameboideo” de las amibas y los leucocitos como la migración y cambios de forma que se presentan durante la formación de los organismos multicelulares.
Movimiento de organelos. Los microtúbulos y microfilamentos mueven los organelos de un sitio a otro dentro de la célula. Por ejemplo, los microfilamentos se unen a vesículas que se forman durante la endocitosis, cuando la membrana plasmática la forman partículas grandes y jalan a las vesículas dentro de la célula. Las vesículas que se desprenden del RE y del aparato de Golgi probablemente son guiadas también por el citoesqueleto.
División celular. Los microtúbulos y los microfilamentos son esenciales para la división celular en las células eucarióticas. En primer lugar, cuando el núcleo eucariótico se divide, los microtúbulos mueven los cromosomas hacia el núcleo de la célula hija. En segundo lugar, en las células animales, la división del citoplasma de una sola célula en dos células hijas resulta de la contracción de un anillo de microfilamentos que constriñe el centro de la célula en división.

Varios tipos de fibras proteicas conforman el citoesqueleto, incluyendo a los:
Microfilamentos delgados, Filamentos intermedios y Microtúbulos gruesos

Microfilamentos
Permiten que las células cambien de forma y guíen el movimiento de los organelos. Los microfilamentos son haces que consisten principalmente de la proteína actina, en ocasiones asociada con una segunda proteína, la miosina. La miosina tiene pequeñas extensiones que se pueden asir a la actina y la flexionan, deslizando el filamento de actina sobre el de miosina, igual que un marinero que jala un ancla con una cuerda, y pone una mano tras la otra.
Filamentos intermedios
Son armazones que proporcionan forma a las células y fijan varias de sus partes. No se ensamblan y se desensamblan. Sujetan a los microfilamentos de actina en las células musculares, garantizando que las células no se separen durante las contracciones intensas. En muchas células, al menos algunas de las proteínas de la membrana plasmática, están adheridas a los filamentos intermedios.
Microtúbulos gruesos
Son cilindros huecos formados por muchas subunidades de la proteína tubulina. Algunos son permanentes como los que conforman los cilios y los flagelos, estructuras que utilizan muchas células para moverse. Sin embargo, varios microtúbulos son transitorios y se ensamblan y se desensamblan conforme la célula lo requiere.
Todos ellos se producen en los centros organizadores de microtúbulos que se localizan en diversos sitios dentro de las células. Todas las células eucarióticas tienen un centro organizador de microtúbulos cerca del núcleo. Durante la división celular, este centro produce una estructura en forma de balón de futbol americano formada por microtúbulos llamada huso mitótico y moviliza los cromosomas hacia las dos células hijas.

2. Organelos

Cada célula tiene una gran necesidad de energía para fabricar materiales, tomar cosas del medio y eliminar otras, así como para moverse y reproducirse, por lo que cuenta con estructuras que le proporcionan toda la energía para vivir.
Estas estructuras son los CLOROPLASTOS (en células vegetales) y las MITOCONDRIAS tanto en células animales como en células vegetales.
Cloroplastos y mitocondrias son parecidos en muchos aspectos. Ambos generalmente son alargados, de 1 a 5 micras o micrómetros de longitud y están rodeados por una doble membrana. Ambos tienen enzimas que sintetizan ATP, aunque los sistemas sean utilizados de diferente manera.
Finalmente los dos tienen muchas características, incluido su propio ADN, remanente de su probable evolución de los organismos de vida libre.
Sin embargo, también hay muchas diferencias que corresponden a la gran cantidad de funciones que desarrollan en las células.
Los cloroplastos captan la energía de la luz solar durante la fotosíntesis y la almacenan en un carbohidrato, mientras que las mitocondrias convierten la energía de la luz en ATP para su uso en la célula (respiración celular).
Los cloroplastos sólo se encuentran en los vegetales y en algunos protistas, en especial las algas unicelulares. Los cloroplastos están rodeados por dos membranas; la interna contiene un material semifluido llamado estroma, dentro del cual están las pilas interconectadas de sacos membranosos vacíos. Los sacos individuales reciben el nombre de tilacoides, y a una pila de sacos se la denomina grana.

Las membranas tilacoides contienen un pigmento verde, la clorofila (que da a la planta su color verde), así como otras moléculas pigmentadas. Durante la fotosíntesis, la clorofila capta la energía de la luz solar y la transfiere a otras moléculas de las membranas tilacoides, las cuales a su vez transfieren la energía al ATP y a otras moléculas portadoras de energía las cuales se difunden dentro del estroma, en el que su energía es utilizada para la síntesis de glucosa a partir de bióxido de carbono y agua.
Las mitocondrias producen ATP mediante la utilización de la energía almacenada en las moléculas alimenticias.
Las mitocondrias reciben el nombre de “centrales eléctricas de las células”, ya que liberan energía a partir de una molécula alimenticia. El desdoblamiento se inicia en el citosol, pero éste carece de las enzimas necesarias para utilizar el oxígeno y desdoblar los alimentos. Este metabolismo anaeróbico (sin oxígeno) no convierte mucha de la energía de los alimentos a ATP.
Las mitocondrias son los únicos sitios dentro de una célula, en los que el oxígeno puede utilizarse en el desdoblamiento de los alimentos. Las reacciones del metabolismo aeróbico son mucho más eficaces en la generación de energía que las reacciones anaeróbicas; se genera de 18 a 19 veces más ATP por medio del metabolismo aeróbico, en las mitocondrias, que mediante el metabolismo anaeróbico en el citosol.
Las mitocondrias son sacos tubulares, ovalados o redondos que tienen un par de membranas; la externa es lisa y la interna se dobla y forma pliegues profundos, llamados crestas. Como resultado, las membranas mitocondriales incluyen dos espacios llenos de líquido, el compartimiento intermembranoso entre la membrana externa e interna y la matriz o compartimiento interno, por dentro de la membrana interna.

Algunas de las reacciones del metabolismo alimenticio ocurren en la matriz líquida contenida dentro de la membrana interna, mientras que el resto se efectúa por una serie de enzimas adheridas a las membranas de las crestas.

Plástidos y vacuolas.
Además del núcleo y las mitocondrias, las células de los vegetales tienen otros organelos con membranas externas dobles: los plástidos (el más importante es el cloroplasto). Otros tipos de plástidos se utilizan para almacenar varios tipos de moléculas, incluidos los pigmentos que les dan a las frutas maduras su color amarillo, anaranjado o rojo.
De especial importancia, son los plástidos que almacenan productos fotosintéticos durante el verano para utilizarse en el invierno y la primavera siguientes. Las plantas por lo general convierten los azúcares elaborados durante la fotosíntesis en almidón y lo almacenan en los plástidos. Por ejemplo, las papas son masas de células llenas de plástidos que contienen almidón.
Las vacuolas realizan muchas funciones, incluidas las de soporte y eliminación de alimentos y desechos; están rodeadas por una membrana única. Las células eucarióticas contienen varios tipos de vacuolas, tanto temporales como permanentes, que realizan una gran variedad de funciones.
La vacuola central de muchas células vegetales da soporte a la célula y también sirve como sitio de almacenamiento para desechos metabólicos.
Otras vacuolas almacenan alimentos o ayudan a la célula a eliminar el exceso de agua que se difunde a su interior.