- síntesis de sustancias orgánicas a partir de dióxido de carbono y agua con el uso obligatorio de energía luminosa:
6CO 2 + 6H 2 O + Q luz → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
En las plantas superiores, el órgano de la fotosíntesis es una hoja, los orgánulos de la fotosíntesis son los cloroplastos (la estructura de los cloroplastos - conferencia No. 7). Los pigmentos fotosintéticos están integrados en las membranas tilacoides del cloroplasto: clorofilas y carotenoides. Hay varios tipos diferentes de clorofila ( a B C D), la principal es la clorofila una... En la molécula de clorofila se puede distinguir una "cabeza" de porfirina con un átomo de magnesio en el centro y una "cola" de fitol. La "cabeza" de porfirina es una estructura plana, es hidrófila y, por lo tanto, se encuentra en la superficie de la membrana que mira hacia el medio acuoso del estroma. La "cola" del fitol es hidrófoba y por eso mantiene la molécula de clorofila en la membrana.
Las clorofilas absorben la luz roja y azul violeta, reflejan el verde y, por lo tanto, dan a las plantas su característico color verde. Las moléculas de clorofila en las membranas tilacoides están organizadas en sistemas de fotos... Las plantas y las algas verdiazules tienen fotosistema-1 y fotosistema-2, mientras que las bacterias fotosintéticas tienen fotosistema-1. Solo el fotosistema-2 puede descomponer el agua con la liberación de oxígeno y tomar electrones del hidrógeno del agua.
La fotosíntesis es un proceso complejo de varias etapas; Las reacciones fotosintéticas se dividen en dos grupos: reacciones. fase ligera y reacciones fase oscura.
Fase de luz
Esta fase ocurre solo en presencia de luz en las membranas de los tilacoides con la participación de clorofila, proteínas de transferencia de electrones y una enzima: ATP sintetasa. Bajo la influencia de un cuanto de luz, los electrones de la clorofila se excitan, abandonan la molécula y entran en el lado exterior de la membrana tilacoide, que finalmente se carga negativamente. Las moléculas de clorofila oxidada se reducen al tomar electrones del agua ubicada en el espacio intratilacoide. Esto conduce a la descomposición o fotólisis del agua:
H 2 O + Q ligero → H + + OH -.
Los iones hidroxilo donan sus electrones y se convierten en radicales reactivos.
OH - → .OH + e -.
Los radicales OH se combinan para formar agua y oxígeno libre:
4NO. → 2H 2 O + O 2.
En este caso, el oxígeno se elimina al entorno externo y los protones se acumulan dentro del tilacoide en el "depósito de protones". Como resultado, la membrana tilacoide se carga positivamente por un lado debido al H + y negativamente por el otro debido a los electrones. Cuando la diferencia de potencial entre los lados externo e interno de la membrana tilacoide alcanza los 200 mV, los protones son empujados a través de los canales de ATP sintetasa y ocurre la fosforilación de ADP a ATP; El hidrógeno atómico se utiliza para reducir el portador específico NADP + (fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina) a NADPH 2:
2Н + + 2е - + NADP → NADPH 2.
Así, la fotólisis del agua ocurre durante la fase de luz, que se acompaña de tres procesos más importantes: 1) síntesis de ATP; 2) la formación de NADP · H 2; 3) la formación de oxígeno. El oxígeno se difunde a la atmósfera, el ATP y el NADP · H 2 se transportan al estroma del cloroplasto y participan en los procesos de la fase oscura.
1 - estroma de cloroplasto; 2 - tilacoide grana.
Fase oscura
Esta fase tiene lugar en el estroma del cloroplasto. Para sus reacciones, no se necesita la energía de la luz, por lo que ocurren no solo en la luz, sino también en la oscuridad. Las reacciones de la fase oscura son una cadena de transformaciones sucesivas de dióxido de carbono (suministrado desde el aire), que conducen a la formación de glucosa y otras sustancias orgánicas.
La primera reacción en esta cadena es la fijación de dióxido de carbono; eliminador de dióxido de carbono es azúcar de cinco carbonos bifosfato de ribulosa (RiBF); enzima cataliza la reacción ribulosa bifosfato carboxilasa (RuBP carboxilasa). Como resultado de la carboxilación del bisfosfato de ribulosa, se forma un compuesto inestable de seis carbonos, que se descompone inmediatamente en dos moléculas. ácido fosfoglicérico (FGK). Luego tiene lugar un ciclo de reacciones en las que el ácido fosfoglicérico se convierte en glucosa a través de una serie de productos intermedios. Estas reacciones utilizan las energías de ATP y NADP · H 2 formadas en la fase ligera; el ciclo de estas reacciones se denomina "ciclo de Calvin":
6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.
Además de la glucosa, en el proceso de fotosíntesis, se forman otros monómeros de compuestos orgánicos complejos: aminoácidos, glicerol y ácidos grasos, nucleótidos. Actualmente, se distinguen dos tipos de fotosíntesis: fotosíntesis C 3 y C 4.
Fotosíntesis C 3
Este es un tipo de fotosíntesis en el que el primer producto son compuestos de tres carbonos (C 3). La fotosíntesis C 3 se descubrió antes que la fotosíntesis C 4 (M. Calvin). Es la fotosíntesis C 3 que se describe arriba, bajo el título "Fase oscura". Los rasgos característicos de la fotosíntesis C 3 son: 1) el aceptor de dióxido de carbono es RuBP, 2) la carboxilación de RuBP es catalizada por la carboxilasa RuBP, 3) como resultado de la carboxilación de RuBP, se forma un compuesto de seis carbonos, que se descompone en dos FHA. FGK se restaura a fosfatos triosa (TF). Parte de TF se destina a la regeneración de RiBP, parte se convierte en glucosa.
1 - cloroplasto; 2 - peroxisoma; 3 - mitocondrias.
Es la absorción de oxígeno dependiente de la luz y la emisión de dióxido de carbono. A principios del siglo pasado, se descubrió que el oxígeno suprime la fotosíntesis. Al final resultó que, para la carboxilasa RiBP, el sustrato puede ser no solo dióxido de carbono, sino también oxígeno:
О 2 + RuBP → fosfoglicolato (2C) + FHA (3C).
La enzima se llama RiBP-oxigenasa. El oxígeno es un inhibidor competitivo de la fijación de dióxido de carbono. El grupo fosfato se escinde y el fosfoglicolato se convierte en el glicolato para que lo utilice la planta. Entra en los peroxisomas, donde se oxida a glicina. La glicina ingresa a las mitocondrias, donde se oxida a serina, mientras que el carbono ya fijo se pierde en forma de CO 2. Como resultado, dos moléculas de glicolato (2C + 2C) se convierten en una FHA (3C) y CO 2. La fotorrespiración conduce a una disminución en el rendimiento de las plantas C 3 en un 30-40% ( C 3 -plantas - plantas que se caracterizan por la fotosíntesis C 3).
Fotosíntesis С 4: fotosíntesis, en la que el primer producto son compuestos de cuatro carbonos (С 4). En 1965, se encontró que en algunas plantas (caña de azúcar, maíz, sorgo, mijo), los primeros productos de la fotosíntesis son los ácidos de cuatro carbonos. Tales plantas fueron nombradas Con 4 plantas... En 1966, los científicos australianos Hatch y Slack demostraron que las plantas C 4 prácticamente no tienen fotorrespiración y son mucho más eficientes para absorber dióxido de carbono. El camino de la transformación del carbono en las plantas C 4 comenzó a llamarse por Hatch-Slack.
Para las plantas C 4, es característica una estructura anatómica especial de la hoja. Todos los haces conductores están rodeados por una doble capa de células: la exterior son las células del mesófilo, la interior son las células de la vaina. El dióxido de carbono se fija en el citoplasma de las células del mesófilo, el aceptor es fosfoenolpiruvato (FEP, 3C), como resultado de la carboxilación de PEP, se forma oxaloacetato (4C). El proceso está catalizado PEP-carboxilasa... A diferencia de la RuBP carboxilasa, la PEP carboxilasa tiene una alta afinidad por el CO 2 y, lo que es más importante, no interactúa con el O 2. En los cloroplastos del mesófilo hay muchos granos, donde se activan las reacciones de la fase ligera. En los cloroplastos de las células de la vaina tienen lugar reacciones de la fase oscura.
El oxaloacetato (4C) se convierte en malato, que se transporta a través de los plasmodesmos hacia las células de la vaina. Aquí se descarboxila y deshidrata para formar piruvato, CO 2 y NADPH 2.
El piruvato regresa a las células del mesófilo y se regenera a expensas de la energía ATP en PEP. El CO 2 es nuevamente fijado por RiBP carboxilasa con la formación de FHA. La regeneración de PEP requiere energía ATP, por lo que se necesita casi el doble de energía que con la fotosíntesis C 3.
La importancia de la fotosíntesis
Gracias a la fotosíntesis, cada año se absorben miles de millones de toneladas de dióxido de carbono de la atmósfera, se liberan miles de millones de toneladas de oxígeno; la fotosíntesis es la principal fuente de formación de materia orgánica. El oxígeno forma la capa de ozono, que protege a los organismos vivos de la radiación ultravioleta de onda corta.
Durante la fotosíntesis, una hoja verde usa solo alrededor del 1% de la energía solar que cae sobre ella, la productividad es de aproximadamente 1 g de materia orgánica por 1 m 2 de superficie por hora.
Quimiosíntesis
La síntesis de compuestos orgánicos a partir de dióxido de carbono y agua, que se lleva a cabo no debido a la energía de la luz, sino a la energía de oxidación de sustancias inorgánicas, se llama quimiosíntesis... Los organismos quimiosintéticos incluyen algunos tipos de bacterias.
Bacterias nitrificantes el amoniaco se oxida a nitroso y luego a ácido nítrico (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).
Bacterias de hierro convertir el hierro ferroso en óxido (Fe 2+ → Fe 3+).
Bacterias de azufre oxidar el sulfuro de hidrógeno a azufre o ácido sulfúrico (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).
Como resultado de las reacciones de oxidación de sustancias inorgánicas, se libera energía, que es almacenada por bacterias en forma de enlaces ATP de alta energía. El ATP se utiliza para la síntesis de sustancias orgánicas, que procede de forma similar a las reacciones de la fase oscura de la fotosíntesis.
Las bacterias quimiosintéticas contribuyen a la acumulación de sustancias minerales en el suelo, mejoran la fertilidad del suelo, promueven el tratamiento de aguas residuales, etc.
Ir conferencias número 11 “El concepto de metabolismo. Biosíntesis de proteínas "
Ir conferencias No. 13 "Métodos de división de células eucariotas: mitosis, meiosis, amitosis"
Todos los seres vivos del planeta necesitan alimentos o energía para sobrevivir. Algunos organismos se alimentan de otras criaturas, mientras que otros pueden producir sus propios nutrientes. ellos mismos producen alimentos, glucosa, en un proceso llamado fotosíntesis.
La fotosíntesis y la respiración están interconectadas. El resultado de la fotosíntesis es la glucosa, que se almacena como energía química en el. Esta energía química almacenada proviene de la conversión de carbono inorgánico (dióxido de carbono) en carbono orgánico. El proceso de respiración libera energía química almacenada.
Además de los alimentos que producen, las plantas también necesitan carbono, hidrógeno y oxígeno para sobrevivir. El agua absorbida del suelo proporciona hidrógeno y oxígeno. Durante la fotosíntesis, se utilizan carbono y agua para sintetizar alimentos. Las plantas también necesitan nitratos para producir aminoácidos (un aminoácido es un ingrediente en la producción de proteínas). Además de esto, necesitan magnesio para producir clorofila.
La nota: Los seres vivos que dependen de otros alimentos se llaman. Los herbívoros como las vacas y las plantas que comen insectos son ejemplos de heterótrofos. Los seres vivos que producen su propia comida se llaman. Las plantas verdes y las algas son ejemplos de autótrofos.
En este artículo, aprenderá más sobre cómo ocurre la fotosíntesis en las plantas y las condiciones necesarias para este proceso.
Determinación de la fotosíntesis.
La fotosíntesis es el proceso químico mediante el cual las plantas, algunas y las algas producen glucosa y oxígeno a partir del dióxido de carbono y el agua, utilizando solo la luz como fuente de energía.
Este proceso es sumamente importante para la vida en la Tierra, porque gracias a él se libera oxígeno, del cual depende toda la vida.
¿Por qué las plantas necesitan glucosa (alimento)?
Al igual que los humanos y otros seres vivos, las plantas también necesitan alimentos para mantenerse con vida. El valor de la glucosa para las plantas es el siguiente:
- La glucosa de la fotosíntesis se usa durante la respiración para liberar la energía que la planta necesita para otros procesos vitales.
- Las células vegetales también convierten parte de la glucosa en almidón, que se usa según sea necesario. Por esta razón, las plantas muertas se utilizan como biomasa porque almacenan energía química.
- La glucosa también es necesaria para producir otras sustancias químicas, como proteínas, grasas y azúcares vegetales, que son necesarios para el crecimiento y otros procesos importantes.
Fases de la fotosíntesis
El proceso de fotosíntesis se divide en dos fases: clara y oscura.
Fase de luz de la fotosíntesis
Como sugiere su nombre, las fases de luz necesitan luz solar. En las reacciones dependientes de la luz, la energía de la luz solar es absorbida por la clorofila y se convierte en energía química almacenada en forma de una molécula portadora de electrones NADPH (fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina) y una molécula de energía ATP (trifosfato de adenosina). Las fases ligeras ocurren en las membranas tilacoides dentro del cloroplasto.
La fase oscura de la fotosíntesis o el ciclo de Calvin
En la fase oscura, o ciclo de Calvin, los electrones excitados de la fase luminosa proporcionan energía para la formación de carbohidratos a partir de moléculas de dióxido de carbono. Las fases independientes de la luz a veces se denominan ciclo de Calvin debido a la naturaleza cíclica del proceso.
Aunque las fases oscuras no usan la luz como reactivo (y como resultado, pueden ocurrir de día o de noche), necesitan los productos de reacciones dependientes de la luz para funcionar. Las moléculas independientes de la luz dependen de las moléculas portadoras de energía (ATP y NADPH) para crear nuevas moléculas de carbohidratos. Después de la transferencia de energía, los portadores de energía regresan a las fases de luz para obtener electrones más energéticos. Además, la luz activa varias enzimas de la fase oscura.
Diagrama de fase de la fotosíntesis
La nota:Esto significa que las fases oscuras no continuarán si las plantas se ven privadas de luz durante demasiado tiempo, ya que están utilizando productos de fase clara.
Estructura de la hoja de la planta
No podemos estudiar completamente la fotosíntesis sin saber más sobre la estructura de las hojas. La hoja está adaptada para desempeñar un papel vital en el proceso de fotosíntesis.
Estructura externa de hojas
- Cuadrado
Una de las características más importantes de las plantas es su gran superficie foliar. La mayoría de las plantas verdes tienen hojas anchas, planas y abiertas que pueden capturar tanta energía solar (luz solar) como sea necesaria para la fotosíntesis.
- Vena central y pecíolo
La nervadura central y el pecíolo se unen y forman la base de la hoja. El pecíolo coloca la hoja para que reciba la mayor cantidad de luz posible.
- Lámina de la hoja
Las hojas simples tienen una placa de hoja, mientras que las hojas complejas tienen varias. La lámina de la hoja es uno de los componentes más importantes de la hoja, que participa directamente en el proceso de fotosíntesis.
- Venas
Una red de venas en las hojas transporta agua desde los tallos hasta las hojas. La glucosa liberada también se dirige a otras partes de la planta desde las hojas a través de las venas. Además, estas partes de la hoja soportan y mantienen la placa de hoja plana para una mayor captura de la luz solar. La ubicación de las venas (venación) depende del tipo de planta.
- Base de hoja
La base de la hoja es su parte más baja, que se articula con el tallo. A menudo, un par de estípulas se encuentra en la base de la hoja.
- Borde de la hoja
Dependiendo del tipo de planta, el borde de la hoja puede tener una forma diferente, que incluye: bordes enteros, dentados, dentados, dentados, crenate, etc.
- Parte superior de la hoja
Al igual que el borde de la hoja, la punta viene en una variedad de formas, que incluyen: afilada, redondeada, obtusa, alargada, dibujada, etc.
Estructura interna de hojas
A continuación se muestra un diagrama similar de la estructura interna de los tejidos de las hojas:
- Cutícula
La cutícula actúa como la principal capa protectora de la superficie de la planta. Suele ser más grueso en la parte superior de la hoja. La cutícula está cubierta con una sustancia similar a la cera que protege a la planta del agua.
- Epidermis
La epidermis es la capa de células que constituye el tejido tegumentario de la hoja. Su función principal es proteger los tejidos internos de la hoja de la deshidratación, daños mecánicos e infecciones. También regula el proceso de intercambio de gases y transpiración.
- Mesófilo
El mesófilo es el tejido vegetal principal. Aquí es donde tiene lugar el proceso de fotosíntesis. En la mayoría de las plantas, el mesófilo se divide en dos capas: la superior es empalizada y la inferior es esponjosa.
- Células protectoras
Las células de defensa son células especializadas en la epidermis de la hoja que se utilizan para controlar el intercambio de gases. Tienen una función protectora de los estomas. Los poros estomáticos se agrandan cuando el agua está disponible libremente; de \u200b\u200blo contrario, las células de defensa se vuelven lentas.
- Estoma
La fotosíntesis depende de la penetración de dióxido de carbono (CO2) del aire a través de los estomas en el tejido del mesófilo. El oxígeno (O2), que se produce como subproducto de la fotosíntesis, sale de la planta a través de los estomas. Cuando los estomas están abiertos, el agua se pierde por evaporación y debe reponerse a través del chorro de transpiración con agua absorbida por las raíces. Las plantas se ven obligadas a equilibrar la cantidad de CO2 absorbido del aire y la pérdida de agua a través de los poros estomáticos.
Condiciones para la fotosíntesis
A continuación se detallan las condiciones que necesitan las plantas para llevar a cabo el proceso de fotosíntesis:
- Dióxido de carbono. Gas natural incoloro e inodoro que se encuentra en el aire y tiene la denominación científica CO2. Se forma cuando se queman carbono y compuestos orgánicos, y también ocurre durante la respiración.
- Agua... Un químico líquido claro, inodoro e insípido (en condiciones normales).
- Brillar.Si bien la luz artificial también es adecuada para las plantas, la luz solar natural tiende a crear las mejores condiciones para la fotosíntesis porque contiene radiación UV natural que tiene un efecto positivo en las plantas.
- Clorofila.Es un pigmento verde que se encuentra en las hojas de las plantas.
- Nutrientes y Minerales.Productos químicos y compuestos orgánicos que las raíces de las plantas absorben del suelo.
¿Qué se forma como resultado de la fotosíntesis?
- Glucosa;
- Oxígeno.
(La energía luminosa se muestra entre paréntesis ya que no es materia)
La nota: Las plantas obtienen CO2 del aire a través de sus hojas y agua del suelo a través de sus raíces. La energía luminosa proviene del sol. El oxígeno resultante se libera al aire desde las hojas. La glucosa resultante se puede convertir en otras sustancias, como almidón, que se utiliza para el almacenamiento de energía.
Si los factores que promueven la fotosíntesis están ausentes o presentes en cantidades insuficientes, esto puede afectar negativamente a la planta. Por ejemplo, menos luz crea condiciones favorables para los insectos que comen las hojas de la planta y la falta de agua se ralentiza.
¿Dónde tiene lugar la fotosíntesis?
La fotosíntesis tiene lugar dentro de las células vegetales, en pequeños plástidos llamados cloroplastos. Los cloroplastos (que se encuentran principalmente en la capa del mesófilo) contienen una sustancia verde llamada clorofila. A continuación se muestran las otras partes de la célula que trabajan con el cloroplasto para realizar la fotosíntesis.
Estructura de la célula vegetal
Funciones de las partes de las células vegetales
- : proporciona soporte estructural y mecánico, protege las células, fija y define la forma de la célula, controla la velocidad y la dirección de crecimiento y da forma a las plantas.
- : proporciona una plataforma para la mayoría de los procesos químicos controlados por enzimas.
- : actúa como barrera, controlando el movimiento de sustancias dentro y fuera de la célula.
- : como se describió anteriormente, contienen clorofila, una sustancia verde que absorbe la energía luminosa durante la fotosíntesis.
- : una cavidad dentro del citoplasma celular que almacena agua.
- : contiene una marca genética (ADN) que controla la actividad celular.
La clorofila absorbe la energía luminosa necesaria para la fotosíntesis. Es importante señalar que no se absorben todas las longitudes de onda de color de la luz. Las plantas absorben principalmente las ondas rojas y azules; no absorben la luz en el rango verde.
Dióxido de carbono de la fotosíntesis
Las plantas obtienen dióxido de carbono del aire a través de sus hojas. El dióxido de carbono se filtra a través de un pequeño orificio en la parte inferior de la hoja: los estomas.
La parte inferior de la hoja tiene células poco espaciadas para que el dióxido de carbono llegue a otras células de las hojas. También permite que el oxígeno generado durante la fotosíntesis salga fácilmente de la hoja.
El dióxido de carbono está presente en el aire que respiramos en concentraciones muy bajas y es un factor necesario en la fase oscura de la fotosíntesis.
Luz en el proceso de fotosíntesis.
La hoja suele tener una gran superficie, por lo que puede absorber mucha luz. Su superficie superior está protegida de la pérdida de agua, las enfermedades y la intemperie mediante una capa de cera (cutícula). La parte superior de la hoja es donde cae la luz. Esta capa de mesófilo se llama empalizada. Está adaptado para absorber una gran cantidad de luz, porque contiene muchos cloroplastos.
En las fases de luz, el proceso de fotosíntesis aumenta con más luz. Se ionizan más moléculas de clorofila y se generan más ATP y NADPH si los fotones de luz se enfocan en la hoja verde. Aunque la luz es extremadamente importante en las fases de luz, debe tenerse en cuenta que cantidades excesivas pueden dañar la clorofila y reducir la fotosíntesis.
Las fases de luz no dependen mucho de la temperatura, el agua o el dióxido de carbono, aunque todas son necesarias para completar el proceso de fotosíntesis.
Agua durante la fotosíntesis
Las plantas obtienen el agua que necesitan para la fotosíntesis a través de sus raíces. Tienen pelos radicales que crecen en el suelo. Las raíces tienen una gran superficie y paredes delgadas que permiten que el agua pase fácilmente.
La imagen muestra plantas y sus células con suficiente agua (izquierda) y falta de agua (derecha).
La nota: Las células de la raíz no contienen cloroplastos porque generalmente están en la oscuridad y no pueden realizar la fotosíntesis.
Si la planta no absorbe suficiente agua, se seca. Sin agua, la planta no podrá realizar la fotosíntesis lo suficientemente rápido e incluso puede morir.
¿Qué importancia tiene el agua para las plantas?
- Proporciona minerales disueltos que apoyan la salud de las plantas;
- Es un medio de transporte;
- Apoya la estabilidad y la rectitud;
- Refresca e hidrata;
- Permite realizar diversas reacciones químicas en las células vegetales.
La importancia de la fotosíntesis en la naturaleza
El proceso bioquímico de la fotosíntesis utiliza la energía de la luz solar para convertir el agua y el dióxido de carbono en oxígeno y glucosa. La glucosa se utiliza como componentes básicos en las plantas para el crecimiento de los tejidos. Así, la fotosíntesis es la forma en que se forman raíces, tallos, hojas, flores y frutos. Sin el proceso de fotosíntesis, las plantas no pueden crecer ni reproducirse.
- Productores
Debido a su capacidad fotosintética, las plantas son conocidas como productoras y son la columna vertebral de casi todas las cadenas alimentarias de la Tierra. (Las algas son el equivalente a las plantas en). Toda la comida que comemos proviene de organismos que son fotosintéticos. Comemos estas plantas directamente o comemos animales como vacas o cerdos que consumen alimentos vegetales.
- La columna vertebral de la cadena alimentaria
Dentro de los sistemas acuáticos, las plantas y las algas también forman la columna vertebral de la cadena alimentaria. Las algas sirven como alimento, que, a su vez, actúan como fuente de alimento para organismos más grandes. Sin la fotosíntesis en el medio acuático, la vida sería imposible.
- Eliminación de dióxido de carbono
La fotosíntesis convierte el dióxido de carbono en oxígeno. Durante la fotosíntesis, el dióxido de carbono de la atmósfera ingresa a la planta y luego se libera como oxígeno. En el mundo actual, donde los niveles de dióxido de carbono están aumentando a un ritmo alarmante, cualquier proceso que elimine el dióxido de carbono de la atmósfera es de importancia ambiental.
- Ciclo de nutrientes
Las plantas y otros organismos fotosintéticos juegan un papel vital en el ciclo de los nutrientes. El nitrógeno del aire se fija en los tejidos vegetales y se vuelve disponible para producir proteínas. Los oligoelementos que se encuentran en el suelo también pueden incorporarse al tejido vegetal y ponerse a disposición de los herbívoros que se encuentran más abajo en la cadena alimentaria.
- Adicción fotosintética
La fotosíntesis depende de la intensidad y la calidad de la luz. En el ecuador, donde la luz solar es abundante durante todo el año y el agua no es un factor limitante, las plantas crecen a tasas elevadas y pueden crecer bastante. Por el contrario, la fotosíntesis en las partes más profundas del océano es menos común porque la luz no penetra en estas capas y, como resultado, este ecosistema es más estéril.
La fotosíntesis es la conversión de energía luminosa en energía de enlaces químicos. compuestos orgánicos.
La fotosíntesis es característica de las plantas, incluidas todas las algas, varios procariotas, incluidas las cianobacterias, y algunos eucariotas unicelulares.
En la mayoría de los casos, la fotosíntesis produce oxígeno (O 2) como subproducto. Sin embargo, este no es siempre el caso, ya que existen varias vías diferentes para la fotosíntesis. En el caso de la liberación de oxígeno, su fuente es el agua, de la cual se separan los átomos de hidrógeno para las necesidades de la fotosíntesis.
La fotosíntesis consiste en una variedad de reacciones en las que participan varios pigmentos, enzimas, coenzimas, etc. Los principales pigmentos son las clorofilas, además de los carotenoides y las ficobilinas.
En la naturaleza, hay dos formas comunes de fotosíntesis de las plantas: C 3 y C 4. Otros organismos tienen su propia especificidad de reacciones. Todo lo que une estos diferentes procesos bajo el término "fotosíntesis" - en todos ellos, en total, la energía de los fotones se convierte en un enlace químico. A modo de comparación: durante la quimiosíntesis, la energía del enlace químico de algunos compuestos (inorgánicos) se convierte en otros: orgánicos.
Hay dos fases de la fotosíntesis: clara y oscura. El primero depende de la radiación luminosa (hν), que es necesaria para que prosigan las reacciones. La fase oscura es independiente de la luz.
En las plantas, la fotosíntesis tiene lugar en los cloroplastos. Como resultado de todas las reacciones, se forman sustancias orgánicas primarias, a partir de las cuales se sintetizan carbohidratos, aminoácidos, ácidos grasos, etc. Por lo general, la reacción total de la fotosíntesis se escribe en relación con glucosa: el producto más común de la fotosíntesis:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Los átomos de oxígeno que forman la molécula de O 2 no se toman del dióxido de carbono, sino del agua. El dióxido de carbono es una fuente de carbono.más importante. Gracias a su unión, las plantas tienen la oportunidad de sintetizar materia orgánica.
La reacción química anterior es generalizada y acumulativa. Está lejos de la esencia del proceso. De esta forma, la glucosa no se forma a partir de seis moléculas de dióxido de carbono separadas. La unión de CO 2 ocurre una molécula a la vez, que primero se une al azúcar de cinco carbonos ya existente.
Los procariotas tienen sus propias características de fotosíntesis. Entonces, en las bacterias, el pigmento principal es la bacterioclorofila y no se libera oxígeno, ya que el hidrógeno no se toma del agua, sino a menudo del sulfuro de hidrógeno u otras sustancias. En las algas verdiazules, la clorofila es el pigmento principal y se libera oxígeno durante la fotosíntesis.
Fase de luz de la fotosíntesis
En la fase luminosa de la fotosíntesis, el ATP y el NADP · H 2 se sintetizan debido a la energía radiante. Sucede sobre los tilacoides de los cloroplastosdonde los pigmentos y las enzimas forman complejos complejos para el funcionamiento de circuitos electroquímicos, a través de los cuales se transfieren electrones y en parte protones de hidrógeno.
Los electrones eventualmente terminan en la coenzima NADP, la cual, al estar cargada negativamente, atrae algunos de los protones hacia sí misma y se convierte en NADP · H 2. Además, la acumulación de protones en un lado de la membrana tilacoide y electrones en el otro crea un gradiente electroquímico, cuyo potencial es utilizado por la enzima ATP sintetasa para sintetizar ATP a partir de ADP y ácido fosfórico.
Los principales pigmentos de la fotosíntesis son varias clorofilas. Sus moléculas capturan la emisión de ciertos espectros de luz, en parte diferentes. En este caso, algunos electrones de las moléculas de clorofila se mueven a un nivel de energía más alto. Este es un estado inestable y, en teoría, los electrones de la misma radiación deberían dar al espacio la energía recibida del exterior y volver al nivel anterior. Sin embargo, en las células fotosintéticas, los aceptores capturan los electrones excitados y, con una disminución gradual de su energía, se transfieren a lo largo de la cadena portadora.
En las membranas tilacoides, hay dos tipos de fotosistemas que emiten electrones cuando se exponen a la luz. Los fotosistemas son un complejo complejo de pigmentos principalmente clorofílicos con un centro de reacción, del cual se desprenden electrones. En el fotosistema, la luz solar atrapa muchas moléculas, pero toda la energía se acumula en el centro de reacción.
Los electrones del fotosistema I, que pasan a través de la cadena portadora, reducen el NADP.
La energía de los electrones desprendidos del fotosistema II se utiliza para la síntesis de ATP. Y los electrones del fotosistema II llenan los huecos de electrones del fotosistema I.
Los agujeros del segundo fotosistema están llenos de electrones resultantes de fotólisis del agua... La fotólisis también ocurre con la participación de la luz y consiste en la descomposición del H 2 O en protones, electrones y oxígeno. Es como resultado de la fotólisis del agua que se forma oxígeno libre. Los protones participan en la creación de un gradiente electroquímico y en la reducción del NADP. La clorofila del fotosistema II recibe electrones.
La ecuación total aproximada para la fase ligera de la fotosíntesis:
H 2 O + NADP + 2ADP + 2P → ½O 2 + NADP · H 2 + 2ATP
Transporte cíclico de electrones
Lo anterior es el llamado fase de luz no cíclica de la fotosíntesis... Hay algo mas transporte cíclico de electrones cuando no se produce la reducción de NADP... En este caso, los electrones del fotosistema van a la cadena portadora, donde se sintetiza ATP. Es decir, esta cadena de transporte de electrones recibe electrones del fotosistema I, no del II. El primer fotosistema, por así decirlo, implementa un ciclo: los electrones emitidos regresan a él. En el camino, gastan parte de su energía en sintetizar ATP.
Fotofosforilación y fosforilación oxidativa
La fase ligera de la fotosíntesis se puede comparar con la etapa de la respiración celular: fosforilación oxidativa, que se produce en las crestas mitocondriales. Allí también se produce la síntesis de ATP debido a la transferencia de electrones y protones a lo largo de la cadena portadora. Sin embargo, en el caso de la fotosíntesis, la energía se almacena en ATP no para las necesidades de la célula, sino principalmente para las necesidades de la fase oscura de la fotosíntesis. Y si durante la respiración las sustancias orgánicas sirven como fuente primaria de energía, durante la fotosíntesis es la luz solar. La síntesis de ATP durante la fotosíntesis se llama fotofosforilaciónen lugar de fosforilación oxidativa.
Fase oscura de la fotosíntesis
Por primera vez, la fase oscura de la fotosíntesis fue estudiada en detalle por Calvin, Benson, Bassem. El ciclo de reacciones que descubrieron más tarde se denominó ciclo de Calvin o fotosíntesis C 3. Ciertos grupos de plantas tienen una vía fotosintética C4 modificada, también llamada ciclo Hatch-Slack.
En las reacciones oscuras de la fotosíntesis, el CO 2 se fija. La fase oscura ocurre en el estroma del cloroplasto.
La reducción de CO 2 se produce por la energía del ATP y el poder reductor del NADP · H 2, formado en reacciones de luz. Sin ellos, no se produce la fijación de carbono. Por tanto, aunque la fase oscura no depende directamente de la luz, suele darse también en la luz.
ciclo de Calvin
La primera reacción de la fase oscura es la adición de CO 2 ( carboxilaciónmi) a 1,5-ribulezobifosfato ( ribulosa-1,5-difosfato) – RiBF... Esta última es ribosa doblemente fosforilada. Esta reacción es catalizada por la enzima ribulosa-1,5-difosfato carboxilasa, también llamada rubisco.
Como resultado de la carboxilación, se forma un compuesto inestable de seis carbonos que, como resultado de la hidrólisis, se descompone en dos moléculas de tres carbonos. ácido fosfoglicérico (FHA) - el primer producto de la fotosíntesis. La FHA también se llama fosfoglicerato.
RuBP + CO 2 + H 2 O → 2FGK
FHA contiene tres átomos de carbono, uno de los cuales es parte del grupo carboxilo ácido (-COOH):
El azúcar de tres carbonos (fosfato de gliceraldehído) se forma a partir de FHA fosfato de triosa (TF), incluido ya un grupo aldehído (-CHO):
FHA (3 ácidos) → TF (3 azúcares)
Esta reacción consume la energía del ATP y la fuerza reductora del NADP · H 2. TF es el primer carbohidrato en la fotosíntesis.
Después de eso, la mayor parte del fosfato de triosa se gasta en la regeneración de bifosfato de ribulosa (RuBP), que se usa nuevamente para unir CO 2. La regeneración implica una serie de reacciones intensivas en ATP que implican fosfatos de azúcar con 3 a 7 átomos de carbono.
En tal ciclo de RuBF se encuentra el ciclo de Calvin.
Una parte más pequeña del TF formado en él abandona el ciclo de Calvin. En términos de 6 moléculas de dióxido de carbono unidas, el rendimiento es de 2 moléculas de triosa fosfato. Reacción total del ciclo con productos de entrada y salida:
6CO 2 + 6H 2 O → 2ТФ
En este caso, 6 moléculas de RuBP participan en la unión y se forman 12 moléculas de FHA, que se convierten en 12 TF, de las cuales 10 moléculas permanecen en el ciclo y se convierten en 6 moléculas de RuBP. Dado que TF es un azúcar de tres carbonos y RuBP es un azúcar de cinco carbonos, entonces en relación con los átomos de carbono tenemos: 10 * 3 \u003d 6 * 5. El número de átomos de carbono que proporcionan el ciclo no cambia, todo el RuBP necesario se regenera. Y seis moléculas de dióxido de carbono incluidas en el ciclo se gastan en la formación de dos moléculas de fosfato de triosa que salen del ciclo.
Para el ciclo de Calvin, por cada 6 moléculas de CO 2 unidas, se consumen 18 moléculas de ATP y 12 moléculas de NADPH 2, que fueron sintetizadas en las reacciones de la fase ligera de la fotosíntesis.
El cálculo se realiza para dos moléculas de fosfato de triosa que abandonan el ciclo, ya que la molécula de glucosa formada posteriormente incluye 6 átomos de carbono.
La triosa fosfato (TP) es el producto final del ciclo de Calvin, pero difícilmente puede llamarse el producto final de la fotosíntesis, ya que apenas se acumula, pero, al reaccionar con otras sustancias, se convierte en glucosa, sacarosa, almidón, grasas, ácidos grasos, aminoácidos. Además de TF, FGK juega un papel importante. Sin embargo, estas reacciones no se limitan a los organismos fotosintéticos. En este sentido, la fase oscura de la fotosíntesis es la misma que el ciclo de Calvin.
El azúcar de seis carbonos se forma a partir de FHA mediante catálisis enzimática escalonada fructosa-6-fosfatoque se convierte en glucosa... En las plantas, la glucosa se puede polimerizar en almidón y celulosa. La síntesis de carbohidratos es similar al proceso inverso de la glucólisis.
Fotorrespiración
El oxígeno inhibe la fotosíntesis. Cuanto más O 2 en el medio ambiente, menos eficiente es el proceso de fijación de CO 2. El hecho es que la enzima ribulosa bifosfato carboxilasa (rubisco) puede reaccionar no solo con el dióxido de carbono, sino también con el oxígeno. En este caso, las reacciones oscuras son algo diferentes.
El fosfoglicolato es un ácido fosfoglicólico. El grupo fosfato se separa inmediatamente de él y se convierte en ácido glicólico (glicolato). Se necesita nuevamente oxígeno para "utilizarlo". Por lo tanto, cuanto más oxígeno haya en la atmósfera, más estimulará la fotorrespiración y más oxígeno necesitará la planta para deshacerse de los productos de reacción.
La fotorrespiración es el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono, que depende de la luz. Es decir, el intercambio de gases ocurre como durante la respiración, pero ocurre en los cloroplastos y depende de la radiación lumínica. La fotorrespiración depende de la luz solo porque el bifosfato de ribulosa se forma solo durante la fotosíntesis.
Durante la fotorrespiración, los átomos de carbono vuelven del glicolato al ciclo de Calvin en forma de ácido fosfoglicérico (fosfoglicerato).
2 Glicolato (C 2) → 2 Glioxilato (C 2) → 2 Glicina (C 2) - CO 2 → Serina (C 3) → Hidroxipiruvato (C 3) → Glicerato (C 3) → FHA (C 3)
Como puede ver, el retorno no es completo, ya que se pierde un átomo de carbono durante la conversión de dos moléculas de glicina en una molécula del aminoácido serina, mientras que se libera dióxido de carbono.
Se requiere oxígeno en los pasos para convertir el glicolato en glioxilato y la glicina en serina.
La conversión de glicolato en glioxilato y luego en glicina ocurre en peroxisomas, síntesis de serina en mitocondrias. La serina ingresa nuevamente a los peroxisomas, donde primero produce hidroxipiruvato y luego glicerato. El glicerato ya ingresa a los cloroplastos, donde se sintetiza FHA a partir de él.
La fotorrespiración es típica principalmente de plantas con el tipo de fotosíntesis C 3. Puede considerarse dañino ya que se desperdicia energía al convertir glicolato en FHA. Aparentemente, la fotorrespiración surgió debido al hecho de que las plantas antiguas no estaban preparadas para una gran cantidad de oxígeno en la atmósfera. Inicialmente, su evolución tuvo lugar en una atmósfera rica en dióxido de carbono, y fue él quien capturó principalmente el centro de reacción de la enzima Rubisco.
Fotosíntesis C 4, o el ciclo de Hatch-Slack
Si en la fotosíntesis C 3 el primer producto de la fase oscura es ácido fosfoglicérico, que incluye tres átomos de carbono, entonces en la vía C 4 los primeros productos son ácidos que contienen cuatro átomos de carbono: málico, oxaloacético, aspártico.
La fotosíntesis C 4 se observa en muchas plantas tropicales, por ejemplo, caña de azúcar, maíz.
Con 4 plantas que absorben el monóxido de carbono de manera más eficiente, casi no tienen fotorrespiración pronunciada.
Las plantas en las que la fase oscura de la fotosíntesis avanza a lo largo de la vía C 4 tienen una estructura de hoja especial. En él, los haces conductores están rodeados por una doble capa de células. La capa interior es la cubierta del haz conductor. La capa externa son las células mesófilas. Las capas de células de cloroplasto se diferencian entre sí.
Los cloroplastos mesófilos se caracterizan por gránulos grandes, alta actividad de los fotosistemas y ausencia de la enzima RiBP carboxilasa (rubisco) y almidón. Es decir, los cloroplastos de estas células están adaptados principalmente para la fase ligera de la fotosíntesis.
En los cloroplastos de las células del haz conductor, las granas están casi sin desarrollar, pero la concentración de RiBP carboxilasa es alta. Estos cloroplastos están adaptados para la fase oscura de la fotosíntesis.
El dióxido de carbono ingresa primero a las células del mesófilo, se une a los ácidos orgánicos, de esta forma se transporta a las células de la vaina, se libera y luego se une de la misma manera que en las plantas C 3. Es decir, la ruta C 4 complementa en lugar de reemplazar la C 3.
En el mesófilo, el CO 2 se une al fosfoenolpiruvato (PEP) para formar oxalacetato (ácido), que contiene cuatro átomos de carbono:
La reacción tiene lugar con la participación de la enzima PEP-carboxilasa, que tiene una mayor afinidad por el CO 2 que la rubisco. Además, la PEP-carboxilasa no interactúa con el oxígeno y, por lo tanto, no se gasta en fotorrespiración. Así, la ventaja de la fotosíntesis C 4 radica en una fijación más eficiente del dióxido de carbono, un aumento de su concentración en las células de la vaina y, en consecuencia, un funcionamiento más eficiente de la RiBP carboxilasa, que casi no se consume para la fotorrespiración.
El oxalacetato se convierte en ácido dicarboxílico de 4 carbonos (malato o aspartato), que se transporta a los cloroplastos de las células que envuelven los haces conductores. Aquí, el ácido se descarboxila (eliminación de CO2), se oxida (eliminación de hidrógeno) y se convierte en piruvato. El hidrógeno reduce el NADP. El piruvato regresa al mesófilo, donde se regenera PEP a partir del consumo de ATP.
El CO 2 arrancado de los cloroplastos de las células de la vaina pasa a la ruta habitual del C 3 de la fase oscura de la fotosíntesis, es decir, al ciclo de Calvin.
La fotosíntesis a lo largo de la ruta Hatch-Slack requiere más energía.
Se cree que la vía C 4 evolucionó más tarde que la vía C 3 y es en muchos sentidos una adaptación contra la fotorrespiración.
DEFINICIÓN: La fotosíntesis es el proceso de formación de sustancias orgánicas a partir de dióxido de carbono y agua, a la luz, con la liberación de oxígeno.
Breve explicación de la fotosíntesisEl proceso de fotosíntesis implica:
1) cloroplastos,
3) dióxido de carbono,
5) temperatura.
En las plantas superiores, la fotosíntesis ocurre en los cloroplastos: plástidos de forma ovalada (orgánulos semiautónomos) que contienen el pigmento de clorofila, debido al color verde del cual las partes de la planta también tienen un color verde.
En las algas, la clorofila está contenida en cromatóforos (células que contienen pigmentos y que reflejan la luz). Las algas pardas y rojas que viven a profundidades considerables, donde la luz del sol no llega bien, tienen otros pigmentos.
Si nos fijamos en la pirámide alimenticia de todos los seres vivos, los organismos fotosintéticos se encuentran en la parte inferior, como parte de los autótrofos (organismos que sintetizan materia orgánica a partir de inorgánicos). Por tanto, son la fuente de alimento de toda la vida del planeta.
Durante la fotosíntesis, se libera oxígeno a la atmósfera. En la atmósfera superior, se forma ozono a partir de ella. Un escudo de ozono protege la superficie de la Tierra de la fuerte radiación ultravioleta, permitiendo que la vida escape del mar a la tierra.
El oxígeno es esencial para la respiración de plantas y animales. Cuando la glucosa se oxida con la participación de oxígeno, las mitocondrias almacenan casi 20 veces más energía que sin ella. Esto hace que el uso de los alimentos sea mucho más eficiente, lo que resulta en altas tasas metabólicas en aves y mamíferos.
Una descripción más detallada del proceso de fotosíntesis de plantas.
Progreso de la fotosíntesis:
El proceso de fotosíntesis comienza con la entrada de luz en los cloroplastos, orgánulos intracelulares semiautónomos que contienen un pigmento verde. Bajo la influencia de la luz, los cloroplastos comienzan a consumir agua del suelo, descomponiéndola en hidrógeno y oxígeno.
Parte del oxígeno se libera a la atmósfera, la otra parte se destina a procesos oxidativos en la planta.
El azúcar se combina con el nitrógeno, azufre y fósforo provenientes del suelo, de esta manera las plantas verdes producen almidón, grasas, proteínas, vitaminas y otros compuestos complejos necesarios para su vida.
La fotosíntesis se realiza mejor bajo la influencia de la luz solar, pero algunas plantas pueden contentarse con luz artificial.
Descripción complicada de los mecanismos de la fotosíntesis para el lector avanzado
Hasta los años 60 del siglo XX, los científicos solo conocían un mecanismo para fijar el dióxido de carbono: la vía C3-pentosa fosfato. Recientemente, sin embargo, un grupo de científicos australianos pudo demostrar que en algunas plantas la reducción de dióxido de carbono ocurre a través del ciclo de los ácidos dicarboxílicos C4.
En las plantas con la reacción C3, la fotosíntesis ocurre más activamente en condiciones de temperatura y luz moderadas, principalmente en bosques y lugares oscuros. Estas plantas incluyen casi todas las plantas cultivadas y la mayoría de los vegetales. Forman la base de la dieta humana.
En plantas con la reacción C4, la fotosíntesis ocurre más activamente en condiciones de luz y alta temperatura. Tales plantas incluyen, por ejemplo, maíz, sorgo y caña de azúcar, que crecen en climas cálidos y tropicales.
El metabolismo de las plantas en sí se descubrió recientemente, cuando fue posible descubrir que en algunas plantas que tienen tejidos especiales para el almacenamiento de agua, el dióxido de carbono se acumula en forma de ácidos orgánicos y se fija en carbohidratos solo después de un día. Este mecanismo ayuda a las plantas a conservar los suministros de agua.
Cómo ocurre la fotosíntesis
La planta absorbe la luz con una sustancia verde llamada clorofila. La clorofila se encuentra en los cloroplastos, que se encuentran en tallos o frutos. Son especialmente abundantes en las hojas, pues debido a su estructura muy plana, la hoja puede atraer mucha luz, por lo tanto, puede recibir mucha más energía para el proceso de fotosíntesis.
Después de la absorción, la clorofila está en un estado excitado y transfiere energía a otras moléculas del cuerpo de la planta, especialmente aquellas que están directamente involucradas en la fotosíntesis. La segunda etapa del proceso de fotosíntesis se realiza sin la participación obligatoria de la luz y consiste en la obtención de un enlace químico con la participación del dióxido de carbono obtenido del aire y el agua. En esta etapa se sintetizan diversas sustancias muy útiles para la vida, como el almidón y la glucosa.
Estas sustancias orgánicas son utilizadas por las propias plantas para nutrir sus diversas partes, así como para mantener una vida normal. Además, estas sustancias también son obtenidas por animales, alimentándose de plantas. Las personas también obtienen estas sustancias al comer alimentos de origen animal y vegetal.
Condiciones para la fotosíntesis
La fotosíntesis puede ocurrir tanto bajo la influencia de la luz artificial como de la luz solar. Como regla general, en la naturaleza, las plantas "trabajan" intensamente en el período primavera-verano, cuando hay mucha luz solar necesaria. En otoño hay menos luz, el día se acorta, las hojas primero se vuelven amarillas y luego se caen. Pero tan pronto como aparece el cálido sol primaveral, el follaje verde reaparece y las "fábricas" verdes reanudan nuevamente su trabajo para proporcionar oxígeno, tan necesario para la vida, así como muchos otros nutrientes.
Definición alternativa de fotosíntesis
Fotosíntesis (del griego antiguo phot - luz y síntesis - conexión, plegado, unión, síntesis) - el proceso de convertir la energía de la luz en la energía de enlaces químicos de sustancias orgánicas en la luz por fotoautótrofos con la participación de pigmentos fotosintéticos (clorofila en plantas, bacterioclorofila y bacteriorrodopsina en bacterias ). En la fisiología vegetal moderna, la fotosíntesis se entiende más a menudo como una función fotoautotrófica: un conjunto de procesos de absorción, conversión y uso de la energía de los cuantos de luz en diversas reacciones endergónicas, incluida la conversión de dióxido de carbono en sustancias orgánicas.
Fases de la fotosíntesis
La fotosíntesis es un proceso bastante complejo e incluye dos fases: la luz, que siempre ocurre exclusivamente en la luz, y la oscuridad. Todos los procesos tienen lugar dentro de los cloroplastos en órganos pequeños especiales: tilakodia. Durante la fase de luz, la clorofila absorbe una cantidad de luz, lo que da como resultado la formación de moléculas de ATP y NADPH. En este caso, el agua se descompone, formando iones de hidrógeno y liberando una molécula de oxígeno. Surge la pregunta, ¿cuáles son estas sustancias misteriosas incomprensibles: ATP y NADH?
El ATP es una molécula orgánica especial que se encuentra en todos los organismos vivos y a menudo se la denomina moneda de "energía". Son estas moléculas las que contienen enlaces de alta energía y son la fuente de energía para cualquier síntesis orgánica y procesos químicos en el cuerpo. Bueno, el NADPH es en realidad una fuente de hidrógeno, se usa directamente en la síntesis de sustancias orgánicas de alto peso molecular: carbohidratos, que ocurre en la segunda fase oscura de la fotosíntesis usando dióxido de carbono.
Fase de luz de la fotosíntesis
Los cloroplastos contienen muchas moléculas de clorofila y todos absorben la luz solar. Al mismo tiempo, la luz es absorbida por otros pigmentos, pero no son capaces de realizar la fotosíntesis. El proceso en sí tiene lugar solo en algunas moléculas de clorofila, de las cuales hay muy pocas. Otras moléculas de clorofila, carotenoides y otras sustancias forman una antena especial, así como complejos de captación de luz (SSC). Al igual que las antenas, absorben cuantos de luz y transmiten la excitación a centros de reacción especiales o trampas. Estos centros están ubicados en fotosistemas, de los cuales las plantas tienen dos: fotosistema II y fotosistema I. Contienen moléculas especiales de clorofila: respectivamente, en el fotosistema II - P680 y en el fotosistema I - P700. Absorben luz de exactamente esta longitud de onda (680 y 700 nm).
El diagrama deja más claro cómo se ve y sucede todo durante la fase de luz de la fotosíntesis.
En la figura, vemos dos fotosistemas con clorofilas P680 y P700. La figura también muestra los portadores a través de los cuales se produce el transporte de electrones.
Entonces: ambas moléculas de clorofila de los dos fotosistemas absorben un cuanto de luz y se excitan. El electrón e- (rojo en la figura) pasa a un nivel de energía más alto.
Los electrones excitados tienen una energía muy alta, se rompen y entran en una cadena portadora especial, que se encuentra en las membranas de los tilacoides, las estructuras internas de los cloroplastos. La figura muestra que del fotosistema II de la clorofila P680 un electrón pasa a la plastoquinona, y del fotosistema I de la clorofila P700 a la ferredoxina. En las propias moléculas de clorofila, en lugar de los electrones después de su desprendimiento, se forman agujeros azules con carga positiva. ¿Qué hacer?
Para compensar la falta de un electrón, la molécula de clorofila P680 del fotosistema II recibe electrones del agua y se forman iones de hidrógeno. Además, es debido a la descomposición del agua que se forma el oxígeno liberado a la atmósfera. Y la molécula de clorofila P700, como se puede ver en la figura, compensa la falta de electrones a través del sistema de portadores del fotosistema II.
En general, por difícil que sea, así es como avanza la fase luminosa de la fotosíntesis, su esencia principal radica en la transferencia de electrones. También se puede ver en la figura que en paralelo con el transporte de electrones, los iones de hidrógeno H + se mueven a través de la membrana y se acumulan dentro del tilacoide. Como hay muchos de ellos allí, se mueven hacia afuera con la ayuda de un factor de acoplamiento especial, que es naranja en la figura, que se muestra a la derecha y parece un hongo.
En conclusión, vemos la etapa final del transporte de electrones, cuyo resultado es la formación del compuesto NADH mencionado anteriormente. Y debido a la transferencia de iones H +, se sintetiza una moneda de energía: ATP (que se ve en la figura de la derecha).
Entonces, la fase de luz de la fotosíntesis se completó, se liberó oxígeno a la atmósfera, se formaron ATP y NADH. ¿Que sigue? ¿Dónde está lo orgánico prometido? Y luego viene la etapa oscura, que consiste principalmente en procesos químicos.
Fase oscura de la fotosíntesis
Para la fase oscura de la fotosíntesis, un componente obligatorio es el dióxido de carbono - CO2. Por lo tanto, la planta debe absorberlo constantemente de la atmósfera. Para este propósito, hay estructuras especiales en la superficie de la hoja: estomas. Cuando se abren, el CO2 ingresa al interior de la hoja, se disuelve en agua y entra en la reacción de la fase ligera de la fotosíntesis.
Durante la fase ligera, en la mayoría de las plantas, el CO2 se une a un compuesto orgánico de cinco carbonos (que es una cadena de cinco moléculas de carbono), lo que da como resultado dos moléculas de un compuesto de tres carbonos (ácido 3-fosfoglicérico). Porque el resultado principal son precisamente estos compuestos de tres carbonos; las plantas con este tipo de fotosíntesis se denominan plantas C3.
La síntesis posterior en cloroplastos es bastante difícil. Como resultado, se forma un compuesto de seis carbonos a partir del cual se pueden sintetizar glucosa, sacarosa o almidón en el futuro. La planta almacena energía en forma de estas sustancias orgánicas. Al mismo tiempo, solo una pequeña parte de ellos permanece en la hoja, que se utiliza para sus necesidades, mientras que el resto de los carbohidratos viajan por toda la planta, yendo hacia donde más se necesita energía, por ejemplo, a los puntos de crecimiento.
Fotosíntesis es un proceso de síntesis de sustancias orgánicas a partir de inorgánicas debido a la energía de la luz. En la inmensa mayoría de los casos, la fotosíntesis es realizada por plantas que utilizan orgánulos celulares como cloroplastosque contiene pigmento verde clorofila.
Si las plantas no fueran capaces de sintetizar materia orgánica, casi todos los demás organismos de la Tierra no tendrían de qué alimentarse, ya que los animales, los hongos y muchas bacterias no pueden sintetizar sustancias orgánicas a partir de las inorgánicas. Solo absorben los confeccionados, los dividen en otros más simples, a partir de los cuales vuelven a ensamblar los complejos, pero ya característicos de su cuerpo.
Este es el caso si hablamos de la fotosíntesis y su papel muy brevemente. Para comprender la fotosíntesis, es necesario decir más: ¿qué sustancias inorgánicas específicas se utilizan, cómo se produce la síntesis?
La fotosíntesis requiere dos sustancias inorgánicas: dióxido de carbono (CO 2) y agua (H 2 O). La primera es absorbida del aire por partes aéreas de las plantas principalmente a través de los estomas. Agua: del suelo, desde donde el sistema de conducción de la planta la entrega a las células fotosintéticas. Además, la fotosíntesis requiere la energía de los fotones (hν), pero no pueden atribuirse a la materia.
En total, la fotosíntesis produce materia orgánica y oxígeno (O 2). Por lo general, la materia orgánica suele significar glucosa (C 6 H 12 O 6).
Los compuestos orgánicos se componen principalmente de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Son los que se encuentran en el dióxido de carbono y el agua. Sin embargo, el oxígeno se libera durante la fotosíntesis. Sus átomos se toman del agua.
De manera breve y general, la ecuación de la reacción de la fotosíntesis se suele escribir de la siguiente manera:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Pero esta ecuación no refleja la esencia de la fotosíntesis, no la hace comprensible. Mira, aunque la ecuación está balanceada, tiene un total de 12 átomos en oxígeno libre, pero dijimos que vienen del agua, y solo hay 6 de ellos.
De hecho, la fotosíntesis tiene lugar en dos fases. El primero se llama ligero, el segundo es oscuro... Tales nombres se deben al hecho de que la luz solo es necesaria para la fase de luz, la fase de oscuridad es independiente de su presencia, pero esto no significa que se quede en la oscuridad. La fase clara tiene lugar en las membranas tilacoides del cloroplasto, la fase oscura, en el estroma del cloroplasto.
En la fase ligera, no se produce la unión de CO 2. Solo existe la captura de energía solar por los complejos de clorofila, su almacenamiento en ATP, el uso de energía para restaurar NADP a NADP * H 2. El flujo de energía de la clorofila excitada por la luz lo proporcionan los electrones, que se transfieren a lo largo de la cadena de transporte de electrones de las enzimas integradas en las membranas tilacoides.
El hidrógeno para NADP se toma del agua que, bajo la influencia de la luz solar, se descompone en átomos de oxígeno, protones de hidrógeno y electrones. Este proceso se llama fotólisis... El oxígeno del agua no es necesario para la fotosíntesis. Los átomos de oxígeno de dos moléculas de agua se combinan para formar oxígeno molecular. La ecuación de reacción para la fase ligera de la fotosíntesis es brevemente la siguiente:
H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½O 2
Por tanto, el oxígeno se libera durante la fase ligera de la fotosíntesis. El número de moléculas de ATP sintetizadas a partir de ADP y ácido fosfórico por fotólisis de una molécula de agua puede ser diferente: una o dos.
Entonces, ATP y NADP * H 2 pasan de la fase clara a la oscura. Aquí, la energía del primero y la fuerza reductora del segundo se gastan en la unión del dióxido de carbono. Esta etapa de la fotosíntesis no se puede explicar de manera simple y breve, porque no procede de la forma en que seis moléculas de CO 2 se combinan con el hidrógeno liberado de las moléculas de NADP * H 2 para formar glucosa:
6CO 2 + 6NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6NADP
(la reacción procede con el gasto de energía ATP, que se descompone en ADP y ácido fosfórico).
La reacción anterior es solo una simplificación para facilitar la comprensión. De hecho, las moléculas de dióxido de carbono se unen de una en una, se adhieren a la materia orgánica de cinco carbonos ya preparada. Se forma una materia orgánica inestable de seis carbonos, que se descompone en moléculas de carbohidratos de tres carbonos. Algunas de estas moléculas se utilizan para la resíntesis de la sustancia original de cinco carbonos para la unión de CO 2. Se proporciona tal resíntesis ciclo de Calvin... Una minoría de las moléculas de carbohidratos de tres carbonos abandona el ciclo. Todas las demás sustancias orgánicas (carbohidratos, grasas, proteínas) se sintetizan a partir de ellas y otras sustancias.
Es decir, de hecho, los azúcares de tres carbonos, y no la glucosa, se liberan de la fase oscura de la fotosíntesis.
