La fotosíntesis es una reacción química maravillosa y, sin embargo, simple que se produce cuando las plantas utilizan la luz solar, el agua y el dióxido de carbono para producir moléculas de alimentos cargados de energía. Las plantas extraen agua de sus raíces y absorben moléculas de dióxido de carbono atmosférico para reunir los ingredientes necesarios para sintetizar la glucosa (azúcar).

El agua (H2O) dividir las moléculas y donar electrones a las moléculas de dióxido de carbono como energía de la luz del sol se convierte en los enlaces químicos de glucosa (azúcar) durante la fotosíntesis. Entonces ¿ qué necesita una planta para realizar la fotosíntesis ?

1.  Ecuación de la fotosíntesis

La receta para la glucosa es seis moléculas de agua (H2O) más seis moléculas de dióxido de carbono (CO2) más la exposición a la luz solar. Los fotones en ondas de luz inician una reacción química en la célula que rompe los enlaces de las moléculas de agua y dióxido de carbono y reorganiza estos reactivos en glucosa y oxígeno, un subproducto. La fórmula para la fotosíntesis se expresa comúnmente como una ecuación:

6H 2 O + 6CO 2 + luz solar → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

2.  Los primeros orígenes de la fotosíntesis

Hace casi 3.500 millones de años, las cianobacterias cambiaron el curso del mundo con su poder fotosintético para convertir la energía de la luz y las sustancias inorgánicas en energía química para los alimentos.

Según la revista Quanta, los microorganismos arcaicos crearon las condiciones planetarias que dieron lugar a una cascada de diversas plantas con una capacidad compartida para fotosintétizar y liberar oxígeno . Aunque todavía se están estudiando y debatiendo los detalles, la adaptación de los centros fotosintéticos en las formas de vida tempranas, como las plantas unicelulares y las algas, parece tener una evolución acelerada.

3.  ¿Por qué es importante la fotosíntesis?

La fotosíntesis es esencial para la vida y la sostenibilidad en un ecosistema equilibrado. Los organismos fotosintéticos se encuentran en la parte inferior de la red alimenticia, lo que significa que directa o indirectamente producen energía alimentaria para herbívoros, omnívoros, consumidores secundarios y terciarios y depredadores de ápices.

Cuando las moléculas de agua se dividen durante la reacción fotosintética, las moléculas de oxígeno se forman y liberan en el agua y el aire. Sin oxígeno, la vida no existiría como lo hace hoy.

Además, la fotosíntesis juega un papel vital en el hundimiento del dióxido de carbono. El proceso de cubrir dióxido de carbono a carbohidratos se llama fijación de carbono. Cuando los organismos vivos a base de carbono mueren, sus restos enterrados pueden comprimirse y, con el tiempo, convertirse en combustible fósil.

4.  Requerimientos de agua de las plantas

El agua ayuda a transportar alimentos y nutrientes dentro de las células y entre los tejidos para proporcionar alimento a todas las partes de una planta viva. Las vacuolas grandes dentro de las células contienen agua que fortalece el tallo, fortalece la pared celular y facilita la ósmosis en las hojas.

Las células indiferenciadas en el meristemo no podrían especializarse adecuadamente en hojas, floraciones o tallos si las células en el tejido estaban muy deshidratadas. Los tallos y las hojas se inclinan cuando no se satisfacen las necesidades de agua y la fotosíntesis disminuye.

5.  Fotosíntesis en plantas

Existen numerosas especies de plantas en todo el mundo. Algunos se han adaptado a las condiciones del desierto, mientras que otros se han adaptado a los climas fríos. También hay plantas que solo podrían sobrevivir en áreas frescas y húmedas con luz solar adecuada. Estas diferencias en las condiciones climáticas y los ecosistemas han resultado en diferentes tipos de fotosíntesis en las plantas. Los tres tipos de fotosíntesis son la fotosíntesis C3, C4 y CAM.

La  definición de la fotosíntesis y la ecuación general se pueden encontrar en Resumen de la fotosíntesis.

El dióxido de carbono se absorbe de la atmósfera a través de los poros de las hojas llamadas estomas. Las hojas también contienen cloroplastos que contienen clorofila. La energía del sol es capturada por la clorofila.

Las hojas son esenciales para el bienestar de las plantas. La mayoría de las reacciones involucradas en el proceso de la fotosíntesis tienen lugar en las hojas.

La hoja de la planta típica incluye lo siguiente

• • Epidermis superior e inferior: la epidermis superior es la capa externa de las células que controla la cantidad de agua que se pierde a través de la transpiración.
  • Estomas: son poros (agujeros) en las hojas que son responsables del intercambio de gases entre las hojas de la planta y la atmósfera
  • Mesófilo: son células fotosintéticas (parénquima) que se encuentran entre la epidermis superior e inferior. Estas células contienen los cloroplastos.
  • Haz vascular: son tejidos que forman parte del sistema de transporte de la planta. Los haces vasculares están formados por vasos de xilema y floema que transportan agua, minerales disueltos y alimentos desde y hacia las hojas.

6.  Proceso de fotosíntesis (paso a paso)

Las reacciones dependientes de la luz y el período de Calvin son las dos etapas principales de la fotosíntesis en las plantas.

Reacciones dependientes de la luz

La primera etapa de la fotosíntesis son las reacciones dependientes de la luz.  Estas reacciones tienen lugar en la membrana tilacoide dentro del cloroplasto. Durante esta etapa, la energía luminosa se convierte en ATP (energía química) y NADPH (energía reductora).

Reacciones dependientes de la luz

La luz es absorbida por dos fotosistemas llamados fotosistema I (PSI) y fotosistema II (PSII).  Estos complejos de proteínas contienen moléculas de clorofila de captación de luz y pigmentos accesorios llamados complejos de antena. Los fotosistemas también están equipados con centros de reacción (RC).

Estos son complejos de proteínas y pigmentos que son responsables de la conversión de energía. Las moléculas de clorofila de PSI absorben la luz con una longitud de onda máxima de 700 nm y se denominan moléculas P700. Las moléculas de clorofila de PSII absorben la luz con una longitud de onda máxima de 68Onm y se denominan moléculas P68O.

Un fotón de luz es absorbido por una molécula de clorofila P680 en el complejo de captación de luz del PSII.

La energía que se genera a partir de la luz pasa de una molécula de clorofila P680 a otra hasta que alcanza el centro de reacción (RC) del PSII.

En el RC

En el RC hay un par de moléculas de clorofila P680. Un electrón en las moléculas de clorofila se excita como resultado de un mayor nivel de energía. El electrón excitado se vuelve inestable y se libera. Se libera otro electrón tras la captura de otro fotón de luz por el complejo de captación de luz y la transferencia de energía al centro de reacción.

Los electrones se transportan en una cadena de complejos de proteínas y portadores móviles llamados una cadena de transporte de electrones (ETC). La plastoquinona es el portador móvil que transporta los electrones desde el centro de reacción del PSII al complejo del citocromo b6f, como se muestra en el diagrama anterior.

Los electrones perdidos del PSII se reemplazan al dividir el agua con luz en un proceso llamado Fotólisis. El agua se utiliza como donador de electrones en la fotosíntesis oxigenada y se divide en electrones (e-), iones de hidrógeno (H +, protones) y oxígeno (O2). Los iones de hidrógeno y el oxígeno se liberan en el lumen tilacoideo. El oxígeno se libera más tarde a la atmósfera como un subproducto de la fotosíntesis.

ETC

Mientras que los electrones pasan a través del ETC a través de la plastoquinona, los iones de hidrógeno (protones) del estroma también se transfieren y se liberan en el lumen tilacoide. Esto da como resultado una mayor concentración de iones de hidrógeno (gradiente de protones) en la luz.

Como resultado del gradiente de protones en la luz, los iones de hidrógeno se transfieren a la ATP sintasa y proporcionan la energía necesaria para combinar ADP y Pi para producir ATP.

El citocromo b6f transfiere los electrones a la plastocianina, que luego los transporta al fotosistema I.  Los electrones ahora han llegado a PSI. Nuevamente reciben energía, pero esta vez de la luz absorbida por las moléculas de clorofila P700.

Los electrones se transfieren al portador móvil, ferredoxina.

Luego se transportan a la ferredixina NADP reductasa (FNR), que es el aceptor final de electrones. En este punto, los electrones y un ion de hidrógeno se combinan con NADP + para producir NADPH.

Los electrones perdidos de PSI son reemplazados por electrones de PSII a través de la cadena de transporte de electrones.

Resumen de reacciones dependientes de la luz

Flujo de electrones

Fotosistema II —–> complejo b6-f —–> Fotosistema I —-> NADP reductasa

7.  Papel de la fotolisis

Utiliza la luz para dividir el agua en lo siguiente:

• • Electrones: donados a para reemplazar los electrones perdidos.
  • Iones de hidrógeno: llevados a la ATP sintasa para proporcionar energía para la producción de ATP
  • Oxígeno - liberado en la atmósfera como un subproducto

8.  Productos

• • ATP - energía química
  • NADPH - potencia reductora / donador de electrones
  • Animación de reacciones dependientes de la luz