FOTOSÍNTESIS

La fotosíntesis es un proceso que utilizan las plantas, algas y algunas bacterias para sintetizar su alimento, usando como fuente de energía la luz solar que transforma en energía de enlaces químicos. En los organismos eucariontes, la fotosíntesis se lleva a cabo en los cloroplastos. El proceso de la fotosíntesis se puede resumir en la siguiente ecuación química:

Hay cuatro elementos fundamentales que intervienen en la fotosíntesis:
· La luz solar, que es la fuente de energía. Los colores del espectro visible que la clorofila absorbe mejor son el azul y el rojo. La función de la luz es, por una parte, excitar a las moléculas de clorofila y, por otra, romper las moléculas de agua, proceso que se conoce como fotólisis (fig. 1.8).
· El bióxido de carbono (CO2) de la atmósfera es la fuente de carbono y oxígeno para la síntesis de glucosa.
· El agua es el agente reductor (donador electrónico) y en los organismos fotosintéticos eucariontes se desprende oxígeno a partir de ella.
· La clorofila es el principal pigmento presente en los cloroplastos capaz de captar la luz solar. Hay varios tipos de clorofila: a, b, c y d; pero la más común es la a, porque se encuentra en todos los vegetales y algas (fig. 1.7).
El proceso de fotosíntesis se divide en dos fases: luminosa y oscura.

Fig. 1.7 Estructura de la clorofila a

Fig. 1.8 Espectro visible de la luz

Fase luminosa
Comprende las reacciones químicas que se realizan en presencia de la luz y se llevan a cabo en las membranas tilacoidales en los granas de los cloroplastos

Las reacciones luminosas de la fotosíntesis se dividen en dos grupos de reacciones: fotofosforilación cíclica y fotofosforilación acíclica. La primera es la producción de ATP a partir de ADP, la fotofosforilación no cíclica produce ATP y NADPH2.
En la fotofosforilación cíclica, la luz solar excita los electrones de las moléculas de clorofila (fig. 1.9), lo cual hace que pasen a un nivel más alto de energía. Estos electrones activados entran en una cadena transportadora de electrones, es decir, son absorbidos por una molécula y donados posteriormente hasta llegar a la molécula de la que salió, pero al hacerlo liberan energía en forma gradual, la cual usa para fosforilar moléculas de ADP y así formar ATP.
La fotofosforilación se lleva a cabo en dos fotosistemas, que se encuentran en las membranas de los tilacoides y se diferencian entre sí por el tipo de longitud de onda de la luz que absorben.
Cuando se produce la fotólisis de dos moléculas de agua, produciendo dos iones hidrógeno (2H+) y dos radicales de oxidrilo (2OH–), se liberan los dos electrones (2e-). Los radicales oxidrilo formarán después agua y oxígeno atómico como productos finales de la fotosíntesis. Los dos iones de hidrógeno son aceptados por el NADP2.
Se excitan dos moléculas de clorofila p680 liberando tanto dos electrones que pasan por otros transportadores como la energía suficiente para la síntesis de dos moléculas de ATP; hasta llegar a clorofila p700. Los electrones que se liberaron de la hidrólisis son recuperados por la clorofila p680.
La luz llega a dos moléculas de clorofila p700, liberando dos electrones que son captados por una cadena de transporte de electrones que los lleva a una molécula de NADP, misma que se reduce.
El “hueco” electrónico que queda en p700 no excitado, del fotosistema I, debe “rellenarse”, los electrones necesarios para esto provienen del agua a través de una cadena de transporte electrónico que se extiende del fotosistema II. Cuando se ilumina el fotosistema II, un electrón de su fotocentro reactivo es elevado a un nivel mayor de energía y fluye al hueco electrónico en p700 del fotosistema I, reduciéndose nuevamente.
Por cada par de electrones que siguen este camino, se generan dos moléculas de ATP.

Fig. 1.9 Reacciones luminosas de la fotosíntesis

Fase oscura
La mayoría de las plantas utilizan el ciclo de Calvin o del C para fijar carbono (fig. 1.10). La fase oscura comprende las reacciones que no dependen de la luz, esto no significa que necesariamente se realizan durante la noche; se llevan a cabo en el estroma del cloroplasto e incluyen una serie de reacciones en las que a partir de CO2 se sintetiza glucosa, utilizando la energía acumulada en el ATP y en el NADPH2 que se encuentra disuelto en el estroma y que se obtuvo durante la fase luminosa. Se inicia a partir de seis moléculas de ribulosa fosfato y azúcares de cinco átomos de C que se unen con bióxido de carbono (captación de CO2) para formar moléculas de seis átomos, que luego se rompen en 12 moléculas de tres carbonos llamadas ácido fosfoglicérico; de éstas, 10 son utilizadas para regenerar las 6 ribulosas fosfato iniciales y las otras dos forman glucosa o algunos otros carbohidratos que son el producto final de la fotosíntesis.
En conclusión, seis moléculas de CO2 y agua pasan a formar parte de una molécula de glucosa (C6H12O6).
Fig. 1.10. Reacciones oscuras de la fotosíntesis (ciclo de Calvin)

ENERGÍA Y VIDA

El Sol, es un gran reservorio de energía que se difunde en parte como luz, que es la principal y más importante fuente para los seres vivos. Los organismos fotosintéticos la transforman en energía química y finalmente en biomasa (el material de que están compuestos los seres vivos), que sirve para alimentar a los llamados organismos heterótrofos, es decir, aquellos que no son capaces de producir sus propias moléculas y deben tomarlas del exterior, como es el caso de los animales, incluyendo al hombre. La energía casi inagotable que el Sol en forma de luz emite, hace posible que organismos incapaces de aprovecharla sobrevivan al utilizar como alimento a las plantas y otros organismos. Estos organismos fotosintéticos contienen gran cantidad de la energía luminosa captada, la cual ha sido transformada en un tipo de fácil almacenamiento e intercambio, el de los enlaces químicos que contienen las innumerables moléculas que los componen. Por esta razón, los alimentos nos mantienen vivos. La síntesis de una molécula requiere energía, y en su degradación se puede aprovechar al menos parte de la que se utilizó para su síntesis. Por esta razón los alimentos son reservorios de energía (fig. 1.5).
Las células están compuestas de moléculas, a su vez constituidas en su mayor parte por seis elementos principales, que son: carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre; estos elementos forman 99% de su peso. Por otra parte, el agua es la substancia más abundante en la célula y ocupa 70% de su peso. El átomo de carbono desempeña un papel importantísimo en la biología, debido a que es capaz de formar moléculas de gran tamaño y variedad, ya que puede formar cadenas o anillos.
Los átomos de carbono forman enlaces muy fuertes y resistentes ya sea entre ellos mismos o con otros átomos, los cuales se conocen como enlaces covalentes. Cada átomo de carbono se puede combinar con otros, y formar así un número muy grande y variado de compuestos. Pero los enlaces, por su propia "fuerza" o energía, representan en realidad la forma en la que nuestras células reciben energía y la pueden utilizar.
Para que las células puedan aprovechar las sustancias en sus distintas funciones deben primero degradarlas. Los procesos de degradación, o catabólicos, ocurren en tres etapas; en la primera, se rompen las grandes moléculas en sus componentes más sencillos, las proteínas en aminoácidos, los carbohidratos en azúcares sencillos y las grasas en ácidos grasos (Fig. 1.6). Esta degradación de las moléculas grandes libera energía que se disipa en parte en forma de calor. En una segunda etapa, estas pequeñas moléculas son a su vez degradadas para formar moléculas todavía más pequeñas, con la posibilidad de obtener energía útil para la célula. Estas moléculas pequeñas son el piruvato y la acetil coenzima A; el piruvato también a su vez se transforma en acetil coenzima A.

Fig. 1.5 Ciclo energético de la vida

Fig. 1.6 Procesos catabólicos en los alimentos

Para el caso de los azúcares, por ejemplo, en la primera etapa se degradan los polisacáridos, como el glucógeno, para dar glucosa. En la segunda etapa, la glucosa se degrada para dar piruvato, y éste se convierte en acetil coenzima A. Finalmente, ésta se degrada para dar CO2 y H2O. Es necesario señalar que, de las tres etapas, sólo en las dos últimas se obtiene energía aprovechable por la célula, en forma de ATP. La degradación de la glucosa a piruvato u otros compuestos cercanos es probablemente el camino metabólico más antiguo que existe, y todavía algunos organismos lo utilizan para obtener ATP.

Grupos funcionales

ACTIVIDAD

Con base en el tema de transporte de membrana responde las siguientes preguntas:
1. Hay enfermos hospitalizados a los que se les inyecta suero isotónico en alguna vena. ¿Qué sentido tiene?
2. ¿En qué crees que se basa la conservación de alimentos en salmuera (mantenidos en sal)?
3. Cuando una lechuga se marchita, se pone a remojar en agua y se hincha. ¿Por qué?
4. Los manglares son árboles que crecen en terrenos muy salinos, cerca del mar, almacenan sales en sus tejidos. ¿Por qué lo hacen?
5. ¿Qué tipo de mecanismo utiliza la glucosa para ingresar a las células epiteliales del intestino desde la luz de este al interior de las mismas. ¿De dónde se obtiene la energía?
6. Los iones de Ca++ son eficientemente incorporados en muchas células vivientes, incluso cuando esto se realiza en contra de un gradiente. Propón un mecanismo para explicar esto.
7. Las neuronas y otras células excitables tienen membranas que son polarizadas. Existe una diferencia de voltaje que es negativo en el interior de la célula y positivo en el exterior. Explica cómo esta polarización es mantenida en una neurona en reposo. ¿Cuáles son los iones más importantes que participan? ¿Existen iones más importantes que otros? ¿Cómo se crea y se mantiene esta diferencia de potencial?
8. Basado en sus conocimientos sobre los distintos tipos de transporte a través de la membrana, propón un mecanismo para explicar cómo es transportada la galactosa al interior de las células epiteliales del intestino. Incluye un diagrama de su mecanismo elegido (existe más de una posibilidad, necesitas solamente explicar uno).