GUIA-FOTOSINTESIS Y RESPIRACION- PARTE I/2

SECRETARIA DE EDUCACION MUNICIPAL

ESCUELA NORMAL SUPERIOR “LEONOR ÁLVAREZ PINZÓN”- TUNJA -

TEMA: FOTOSÍNTESIS Y RESPIRACIÓN:

OBJETIVOS: . Identificar las características generales de La fotosíntesis y la respiración Interna o Celular

La Fotosíntesis y la Respiración: dos reacciones químicas en los seres vivos

La fotosíntesis utiliza la energía de la luz solar para convertir moléculas inorgánicas de baja o poca energía como lo son el bióxido de carbono y agua, en moléculas orgánicas de elevada energía, como la glucosa y otros derivados de esta. En la fotosíntesis, la energía de la luz es absorbida y transfor¬mada en forma de enlaces químicos. Químicamente la Fotosíntesis representa la separación del hidrógeno del agua con la simultánea liberación del oxígeno. El hidrógeno es transferido al gas carbónico y fijado en forma de compuesto metaestable del carbono. Eso quiere decir, que el gas carbónico funciona como un aceptor de hidrógeno. Así, la fotosíntesis convierte la energía electromagnética de la energía solar en energía química almacenada en uniones de oxígeno. En las plantas, la fotosíntesis se lleva a cabo en los cloroplastos, organelos presentes especialmente en las células de las hojas.

Las hojas y los Cloroplastos
Las hojas de la mayor parte de las plantas tienen unas cuantas células de grosor y cada una de las superficies superior e inferior de una hoja (haz y envés) consta de una capa de células transparentes, la Epidermis. La superficie externa de ambas capas epidérmicas están protegidas por una cubierta de cera a prueba de agua que forma la cutícula que disminuye la evaporación del agua de la hoja. La hoja obtiene CO2 para la fotosíntesis a partir del aire; poros ajustables en la epidermis, llamados Estomas se abren y se cierran en el momento adecuado para admitir CO2. En el interior de la hoja hay unas capas de células que, en conjunto, reciben el nombre de Mesófilo (que significa "centro de la hoja"). Las células del mesófilo contienen la mayor parte de los cloroplastos de las hojas y, en consecuencia la fotosíntesis sucede principalmente en estas células. Haces o conductos vasculares, o venas, proporcionan agua y minerales a las células del mesófilo y llevan los azúcares y otros productos de la fotosíntesis a otras partes la planta.

Los Cloroplastos son organelos formados por una doble membrana externa que rodea un medio semilíquido, llamado estroma, en cuyo interior se encuentran unos sacos membranosos en forma de discos interconectados entre si, que reciben el nombre de Tilacoides. En la mayor parte de los cloroplastos, los Tilacoides están apilados en estructuras, a manera de columnas, llamadas Granos o Granas.

Mientras que la fotosíntesis, según la ecuación : 6 H2O + 6 CO2 + Energía Solar C6H12O6 + 6 O2, parece ser un proceso aparentemente simple y sencillo, verdaderamente no sucede así, ya que el proceso consta de un gran número de reacciones individuales que están entrelazadas de manera complicada, donde intervienen docenas de enzimas que catalizan docenas de reacciones individuales Sólo algunas de ellas dependen de la luz, mientras que las demás funcionan también en la oscuridad. No obstante, la distinción entre reacciones de luz y de oscuridad tiene solamente validez limitada ya que las reaccio¬nes que tienen lugar en la oscuridad necesitan como requisito las Reacciones de luz. Así conceptualmente, la fotosíntesis puede considerarse que se realiza en dos pasos principales o en un par de reacciones acopladas mediante moléculas transportadoras de energía: Reacciones Luminosa y Reacciones Oscuras.. Cada reacción sucede en un sitio diferente del cloroplasto. A pesar de que hoy día tenemos una idea rela¬tivamente precisa del proceso total, todavía quedan muchos detalles para aclarar.

1. En las Reacciones Luminosas (Fosforilación) Hay Producción de energía y en esta etapa, la clorofila y otras moléculas en las membranas de los tilacoides captan la energía solar, convirtiendo parte de la misma en energía química de moléculas transportadoras de energía ( ATP ) y moléculas transportadoras de electrones (NADPH). Todas ricas en fósforo ( Reacciones de Fosforilación)

2. En las Reacciones Oscuras, las enzimas del estroma utilizan la energía química de las moléculas transportadoras ATP y NADPH formados en las reacciones luminosas, para sintetizar carbohidratos (moléculas de glucosa) u otras molécula orgánicas, a partir del H2O y el CO2 .

1. Reacciones Luminosas
En las reacciones luminosas, la luz excita a los electrones en las moléculas de clorofila y transfiere algunos de estos electrones energéticos a los sistemas de transportación de electrones.

Absorción de la radiación: la radiación fotosintéticamente activa se absorbe por los pigmentos de los cloroplastos, en primer lugar la clorofila. La Clorofila a es el pigmento de mayor importancia para la fotosíntesis. Está presente en todos los organismos fotoautótrofos, mientras que la Clorofila b, en cambio, está ausente en ciertos organismos y en consecuencia no resulta ser tan esencial. En otros organismos se encuentran otros pigmentos fotosintéticamente activos, como la Clorofïla c, d, e ?. y otros Pigmentos, como los Carotenos, las Ficocianinas, que en general se denominan pigmentos Accesorios.

La absorción de fotones au¬menta la energía de un electrón, desplazándolo de un nivel interior, de menor energía, a otro exterior más alejado del núcleo, de mayor energía. La cantidad de energía absorbida debe ser exactamente igual a la diferencia de energía existente entre el nivel donde inicialmente se encontraba el electrón y el nuevo, de mayor energía,en el que ahora se encuentre. Un electrón puede ocupar solamente un determinado nivel de energía y, a menos que el fotón pueda elevar la energía del electrón en la cantidad justa para un nivel energético definido, el fotón no será absorbido. La capacidad específica de la clorofila que actúa en la fotosínte¬sis depende de su notable facultad para absorber la energía de la luz con eficacia sorprendente y para transferir esta energía a otras moléculas. Hoy día se supone que en la fotosíntesis están acopladas también dos reacciones de luz, con participación variable de los diversos pigmentos.

1. Fosforilación o Conversión de la luz solar en energía química: Parte de la energía que proviene de los electrones se utiliza para bombear iones de hidrógeno dentro de los Tila¬coides. La concentración de iones de hidrógeno es más alta dentro de los Tilacoides que afuera, en el estroma. Los iones de hidrógeno disminuyen por difusión su gradiente de con¬centración mediante enzimas que sintetizan ATP en las mem¬branas de los tilacoides, con lo que proporcionan la energía para sintetizar e1 ATP. La clorofila activada posee energía necesaria para la síntesis de sustancias orgánicas Clorofila + E Clorofila E

2. Fotofosforilación: el transporte de electrones entre las dos reac¬ciones de luz transcurre de un nivel energético superior a un nivel inferior. La energía liberada en su curso se fija parcialmente en forma de ATP. Todavía no se sabe con seguridad en qué parte de la cadena de transporte de electrones se origina el ATP, pero lo más probable es que su formación tenga lugar en el paso de los electrones por el Sistema Redox II al Redox III (de la plastoquinona al citocromo f.) Este proceso se lla¬ma Fotofosforilación, o más preciso, Fotofosforilación No Cíclica, ya que está acoplado con el transporte no cíclico de electrones, en esta fosforilación, los electrones pasan de la clorofila b a la clorofila a

Al lado de los caminos mencionados se ha demostrado un transporte cíclico de electrones. En este caso los electrones de alta energía regresan a la clorofila a través de portadores intermedios como el cítocromo f. y otros sin identificar, llamados simplemente cofactores. Como también en este proceso se forma ATP, se le llama Fosforilación Cíclica. En contraste con el transporte no cíclico de electrones, donde no hay reducción de NADP+ en el curso de este proceso y como única reacción de luz participa la primera con la clorofila a. No se sabe todavía hasta dónde la célula utiliza esta última posibilidad de sintetizar ATP al lado de la fosforilación no cíclica. En la fosforilación Cíclica, los electrones pasan de la clorofila a y regresan nuevamente a la clorofila a .

En resumen se puede decir que mediante las reacciones de luz y la cadena de transporte de electrones se originan los llamados "equivalentes de reducción" en forma de NADPH + H+ y ATP, que pueden ser utilizados en seguida para la reducción del CO2 .

En las membranas de los Tilacoides, en la clorofila, pigmentos accesorios y en las moléculas transportadoras de electrones, s e forman unas moléculas muy complejas, llamadas Fotosistemas , que constan de dos partes principales, una encargada de absorber luz y hacer desprender electrones y la otra parte, de transportar dichos electrones energéticos, “exitados”, para que se muevan de un transportador a otro, liberando así la energía que poseen, produciendo el desencadenamiento de una serie de reacciones que tienen como fin la síntesis de ATP a partir del ADP o NADP+ , serie de hechos que reciben el nombre de Fotofosforilación, ya que la energía luminosa (Foto) se utiliza para agregar grupos fosfato (fosforilar) al ADP, para formar ATP.

Se sabe que la producción de ATP por el fenómeno de la fosforilación, puede tomar dos formas o vías diferentes. Hay una serie de reacciones llamadas Fosforilación Cíclica, que solo produce ATP, y donde los electrones sacados de las moléculas de clorofila por la energía luminosa, regresan a una molécula de Clorofila a: y la otra vía, es la Fosforilación No Cíclica que también produce ATP y NADPH y en donde los electrones de la clorofila, “exitados” por la energía luminosa, se transfieren finalmente al NADP+ para reducirla a NADPH

Según nuestros conocimientos actuales en la fotosíntesis se presentan dos reacciones de luz sucesivas, que se llaman Primera Reacción de luz (h.γ1 o Fotosis¬tema I. y Segunda Reacción de luz (h.γ2) o Fotosis¬tema II. A ellas corresponden dos sistemas de pigmentos. El pigmento de la pri¬mera reacción de luz es la Clorofila a, mientras que en la segunda reacción participan al lado de la Clorofila a, los también llamados Pigmentos Accesorios.

La energía absorbida por la Clorofila a se transfiere o pasa en forma de "electrones de alta energía" a un sistema redox II de transporte de electrones, como lo es el NADP+, transformándolo en su forma reducida como NADPH + H+.

El sistema de pigmentos de la Segunda Reacción de luz o Fotosistema II, mientras tanto realiza la Fotooxidación del Agua mediante la absorción de mas luz, para lo cual se transfieren electrones a otro sistema Redox I y el agua se descompone, liberando oxígeno (Fotólisis del agua).

De este sistema de oxireducción ( Plastoquinona o redox II), los electrones pasan por una serie de sis¬temas Redox III (plastocianina, citocromo f) a la Clorofila a, para así nuevamente equilibrar de esta manera el ba¬lance de electrones, para permitir una nueva excitación del pigmento. El paso de electrones a partir del oxígeno del agua por las dos reacciones de luz y los sistemas redox de la cadena de transporte de electrones al NADP+ se llama : “Transporte de electrones no Cíclico”. Parte de la energía, en forma de iones energéticos, se agrega a las moléculas transportadoras de electrones de NADPH+ para producir el mayor transportador energético, el NADPH.

Inicialmente, la energía se utiliza para dividir la molécula de agua en oxígeno e hidrógeno, en el proceso denominado Fotólisis que podemos representar como: 4 H-OH + Clorofila E¬- 4H+ + 4OH-

Parte de la energía se utiliza para romper, disociar molécula de agua, que sirvan como generadoras de electrones, iones hidrógeno y oxígeno.
2 H-OH + Clorofila E¬- ( ATP + NADPH ) 4H+ + 2O (O2) + e-

El OH- continúa la reacción y da lugar al oxígeno, que se libera a la at¬mósfera, y a íones H+ , los cuales se utilizan para reducir el dióxido de car-bono en la serie enzimática. 4 (OH-) 2 H2O + O2

En resumen, las 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 de reacción del complejo, haciendo que los electrones sean expul¬sados y enviados al sistema de transporte de electrones del fotosistema II. Conforme los electrones pasan por el sistema de transporte, liberan energía y parte de esta, se utiliza para crear un gradiente del ión de hidrógeno que lleva a cabo la síntesis de ATP. Mientras tanto, el resto de 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 trans¬porte de electrones del fotosistema I o primera Reacción de luz Los electrones perdidos a partir del centro de reacción son reemplazados por electrones provienentes del sistema de transporte del fotosistema II. o Segunda Reacción de luz (Parte de esta energía es captada como NADPH.) En general, la clo¬rofila del fotosistema II , "desprovista de electrones", atrae elec¬trones desde las moléculas de agua. Una molécula de agua se desliza, donando electrones a la clorofila del fotosistema II, generando oxígeno como producto.