Fotosíntesis y respiración celular (1)
Procesos biológicos en vegetales
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CN.B.5.2.6. Explorar y comparar la fotosíntesis y la respiración celular como procesos complementarios en función de reactivos, productos y flujos de energía a nivel celular.
Piensa por un instante en tu primer bocado de hoy. Quizá fue un trozo de pan crujiente, la dulzura de una fruta, unos huevos o un vaso de leche. Lo que probablemente no notaste mientras desayunabas es que, en esencia, acababas de ingerir el minúsculo fragmento de una estrella. La energía que ahora mismo palpita en tus venas, que te permite respirar, pensar y estar aquí, tiene un origen alucinante: viajó millones de kilómetros a través del frío y oscuro vacío del espacio desde el núcleo rugiente de nuestro Sol. Son las plantas, a través de ese milagro silencioso llamado fotosíntesis, las verdaderas heroínas capaces de atrapar esta furia solar y tejerla para formar moléculas orgánicas, como la glucosa. Cuando un animal devora una planta, hereda esa luz encapsulada; y cuando nosotros nos sentamos a la mesa, nos unimos a esta cadena. -En esta unidad examinaremos por qué las plantas constituyen el sostén de la mayoría de las formas de vida en la Tierra y cómo son capaces de mantener las cadenas alimenticias al transformar la energía de la luz solar en alimento. Analizaremos las bases bioquímicas de la fotosíntesis y de la respiración celular, así como las estrategias que los vegetales emplean para llevar a cabo sus procesos vitales. También estudiaremos cómo realizan el transporte interno de fluidos, la eliminación de desechos, su crecimiento y la reproducción que les permite perpetuar su especie a lo largo del tiempo y el espacio. Finalmente, exploraremos de qué manera la biotecnología aprovecha estos procesos para beneficio del ser humano en ámbitos como la agricultura y la medicina.
El Sol, principio de vida
Son muy pocas las excepciones de seres vivos que no dependen de una u otra forma del sol. Para la mayoría de nosotros, representa el calor necesario para mantener nuestros procesos metabólicos, la luz para poder observar nuestro entorno y, por sobre todas las cosas, el alimento. Y es que, aunque no todos contamos con la maquinaria biológica para sintetizar nuestra propia comida, sobrevivimos alimentándonos de quienes sí pueden hacerlo. -Los seres vivos que fabrican su propio alimento se denominan autótrofos. En este grupo estelar se encuentran los organismos capaces de realizar la fotosíntesis, como las plantas, las algas y las cianobacterias, también conocidas como algas verdeazules, que son organismos celulares sin núcleo definido capaces de fotosintetizar. Además de estos, existen las bacterias quimiosintéticas. -A fin de producir la energía que necesitan para vivir en condiciones extremas, estas bacterias se han adaptado para aprovechar elementos inorgánicos como el dióxido de carbono, el sulfuro de hidrógeno y el amoníaco, sustancias que abundan en los desfogues de los volcanes submarinos a elevadísimas temperaturas. -Por su parte, los organismos fotosintéticos necesitan ineludiblemente de la luz solar. Utilizan esta energía para desencadenar una serie de reacciones químicas que culminan con la producción de un azúcar llamado glucosa y la vital liberación de oxígeno hacia la atmósfera. Estos seres autótrofos consumen una parte de la energía producida en sus propios procesos celulares, pero también la almacenan en sus hojas, tallos y raíces. Gracias a este almacenamiento, sirven de alimento para todos aquellos organismos que no podemos fabricar nuestra propia comida, a los cuales llamamos heterótrofos, convirtiéndose así en el primer eslabón inquebrantable de las cadenas alimenticias de todos los ecosistemas del mundo.
Todo sucede en los cloroplastos
Si observamos las células complejas de las plantas y de las algas bajo un microscopio, encontraremos que existe un promedio de entre sesenta y ochenta cloroplastos por célula. Los cloroplastos son los compartimentos microscópicos especializados donde ocurre la magia de la fotosíntesis.
Cada cloroplasto está protegido por una doble membrana. En su interior, resguardan unas delicadas estructuras en forma de saco o vesícula que se apilan unas sobre otras, conocidas como tilacoides. Estos tilacoides son el hogar de varios pigmentos, entre los cuales reina la clorofila. La clorofila es el pigmento estrella responsable de teñir de verde a los organismos fotosintéticos y es absolutamente fundamental para atrapar la luz del sol.
Al conjunto de estos tilacoides apilados se lo conoce como grana, la cual se encuentra sumergida en una matriz líquida llamada estroma. El estroma está repleto de numerosas enzimas imprescindibles para la síntesis de la glucosa. En contraste, las cianobacterias, al ser organismos más primitivos, carecen de cloroplastos. Por lo tanto, realizan la fotosíntesis directamente en su medio celular interno, utilizando pigmentos llamados ficobilinas, que cumplen la función de la clorofila.
La fotosíntesis y sus dos fases
La palabra fotosíntesis proviene de las voces griegas que significan luz y composición. Es un proceso de construcción biológica que transforma la energía lumínica en energía química, combinando moléculas de dióxido de carbono con agua para sintetizar glucosa. Durante este proceso, se libera oxígeno como un producto secundario, es decir, un subproducto de la reacción química que, aunque no es el objetivo principal de la planta, es vital para el resto de nosotros y se elimina hacia el ambiente.
Es un procedimiento bioquímico complejo que requiere la intervención de diversos pigmentos y de moléculas especializadas en transportar electrones. Todo esto sucede en dos fases distintas, y el resumen de toda esta actividad se expresa en una ecuación clásica: seis moléculas de agua más seis moléculas de dióxido de carbono se combinan, utilizando la energía de la luz solar, para producir una molécula de glucosa y liberar seis moléculas de oxígeno.
Cabe destacar que el agua necesaria para esta reacción es la que absorben minuciosamente las raíces desde el suelo, mientras que el dióxido de carbono ingresa a la planta a través de unos poros especializados situados en la superficie inferior de las hojas. Estos poros se llaman estomas y funcionan como pequeñas puertas que se abren para dejar entrar el dióxido de carbono de la atmósfera y, posteriormente, dejar salir el oxígeno purificado.
Fase dependiente de la luz
Se denomina de esta manera a la primera etapa de la fotosíntesis porque ocurre estrictamente en presencia de luz solar. Su gran objetivo es atrapar y almacenar la energía lumínica que se utilizará en la segunda etapa para construir la glucosa.
Para lograrlo, se requiere la acción de dos moléculas clave que actúan como receptores temporales de electrones. Estos electrones provienen de la ruptura de las moléculas de agua, un proceso llamado fotólisis. Estos receptores de energía terminan convirtiéndose en las moléculas conocidas como adenosín trifosfato y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato.
El proceso ocurre en las membranas de los tilacoides, donde se alojan complejos de proteínas y pigmentos llamados fotosistema uno y fotosistema dos. Cuando estos fotosistemas absorben la luz del sol, estimulan a la clorofila para que dispare electrones altamente energéticos. Estos electrones viajan por una cadena de transporte que finalmente recarga las moléculas mencionadas, aceptando los hidrógenos liberados del agua y generando el oxígeno que respiramos. En resumen, el adenosín trifosfato y su molécula compañera funcionan como baterías biológicas, acumulando la energía precisa para el siguiente paso.
Fase independiente de la luz
Esta segunda etapa se desarrolla en el estroma del cloroplasto. Hacia este medio líquido se trasladan las baterías biológicas recién cargadas en la fase anterior, proporcionando la energía indispensable para sintetizar la glucosa a partir del dióxido de carbono capturado del aire.
En esta fase interviene un gran equipo de enzimas. La más destacada es una enzima popularmente conocida como rubisco, encargada de acelerar la reacción que transforma el dióxido de carbono en una molécula intermedia: un azúcar de tres carbonos llamado ribulosa difosfato. A partir de este frágil azúcar de tres carbonos, la planta logrará ensamblar la molécula final de glucosa. Toda esta elegante danza bioquímica se conoce en la ciencia con el nombre de ciclo de Calvin.
La asombrosa complejidad de estos procesos microscópicos nos demuestra que la naturaleza es la ingeniera más brillante del planeta. Comprender a fondo estos mecanismos no solo nos maravilla, sino que impulsa tecnologías del futuro. Desde lámparas de diseño industrial que encienden bombillas usando algas fotosintéticas vivas, hasta los estudios que respaldan cómo los cloroplastos alguna vez fueron bacterias libres que decidieron cooperar dentro de células más grandes, en una ayuda mutua evolutiva que cambió la historia de la vida hace miles de millones de años. Al mirar una simple hoja de árbol, te invito a preguntarte: ¿cómo inciden los cambios de temperatura o de luz en la velocidad de estas reacciones vitales? ¿De qué manera los flujos de energía y la acción de enzimas como la rubisco podrían ser la clave para la biotecnología agrícola del mañana?
Evaluación formativa
- Averigua de qué manera la estructura y las características de los cloroplastos y las mitocondrias fueron de utilidad para la científica estadounidense Lynn Margulis, quien, en 1967, planteó la teoría de la endosimbiosis para explicar la evolución de las células eucariotas. ››
- Realiza, en una cartulina, un cuadro sinóptico para visualizar rápidamente los procesos que se producen en las dos fases de la fotosíntesis. ››
- Explica cómo es la estructura interna de un cloroplasto. ››
- Responde: ››
- ¿Qué son los organismos autótrofos? ¿Qué organismos forman parte de este grupo?
- ¿De dónde toman la energía las bacterias quimiosintéticas? ¿De dónde toman la energía los organismos fotosintéticos?
- ¿Cuál es la función del ciclo de Calvin?
- ¿Cuál es la fórmula reducida de la fotosíntesis?
- ¿Dónde realizan las cianobacterias la fotosíntesis?
- ¿Cuál es el objetivo de la fase dependiente de la luz en la fotosíntesis?
- ¿Qué pigmentos intervienen en el proceso de fotosíntesis de las algas?
- ¿Cuáles son los productos de la fase independiente de la luz?
- En las plantas, ¿por dónde se adquiere el agua y el dióxido de carbono utilizados para el proceso de fotosíntesis?
Sugerencias para investigar Investiga en el libro de Lynn Margulis: Una revolución en la Evolución. Lo puedes encontrar en Google Books.
Trabajo colaborativo Formen tríos y preparen un cartel donde se pueda ver, paso a paso, cómo se produce la glucosa, a partir del CO2 durante el ciclo de Calvin. Resalten cómo son las moléculas, enzimas y moléculas portadoras de energía que intervienen.
Diversidad funcional en el aula Las personas con discapacidad son sujetos de derechos y también de deberes. Es importante que recordemos esto dentro y fuera del aula.
- Los cloroplastos y las mitocondrias tienen doble membrana, un ADN circular, ribosomas y enzimas para sintetizar ATP, lo que las hace similares a las bacterias, por lo que son una evidencia de que lo que planteó Margulis es posible. Esta científica dijo que las células eucariotas evolucionaron a partir de bacterias que fagocitaron a otras y que, en lugar de digerirlas, establecieron una relación de mutua ayuda (endosimbiosis). ‹‹
- Respuesta abierta. Se espera que los estudiantes puedan sintetizar eficientemente la información más importante de esta lección. ‹‹
- Los cloroplastos poseen una membrana interna y externa para su protección. Dentro se componen de tilacoides que alojan pigmentos, responsables de conferir los colores de la planta, que son fundamentales para la fotosíntesis. Los tilacoides están embebidos en los estomas, matriz líquida que contiene muchas enzimas que intervienen en la síntesis de glucosa. ‹‹
- Respuestas: ‹‹
- Son aquellos individuos que fabrican su propio alimento, como las plantas, algas, cianobacterias y bacterias quimiosintéticas.
- Las bacterias quimiosintéticas se han adaptado para aprovechar el dióxido de carbono, el sulfuro de hidrógeno y el amoníaco que proviene de los volcanes submarinos. Los organismos fotosintéticos obtienen su energía a partir de la luz solar.
- La creación de glucosa a través de un ciclo, a partir de la ribulosa di fosfato.
- 6 moléculas de agua + 6 moléculas de dióxido de carbono produce gracias a la energía solar una molécula de glucosa y 6 moléculas de oxígeno.
- En el citoplasma.
- El objetivo de esta fase es almacenar la energía que se utilizará en la segunda fase, para sintetizar glucosa.
- La clorofila a, b, c, d y e, carotenoides, ficobilinas y xantofilas en diferentes proporciones, dependiendo de su profundidad.
- El ATP y el NADPH, que proporcionan energía para la síntesis de glucosa.
- El agua es absorbida por las raíces y el dióxido de carbono ingresa por los estomas, ubicados en la superficie inferior de las hojas.
