Fotosíntesis

Capítulo 7
Captación de energía solar: Fotosíntesis
Copyright © 2008 Pearson Prentice Hall, Inc.
Teresa Audesirk • Gerald Audesirk • Bruce E. Byers
Biología: ciencia y naturaleza
Segunda Edición

Un dinosaurio predestinado a morir observa el gigantesco meteorito que se dirige hacia
la Tierra. Algunos científicos creen que su impacto pudo haber causado una extinción
masiva hace cerca de 65 millones de años.

Contenido del capítulo 7
• 7.1 ¿Qué es la fotosíntesis?
• 7.2 Reacciones dependientes de la luz: ¿Cómo
se convierte la energía luminosa en energía
química?
• 7.3 Reacciones independientes de la luz:
¿Cómo se almacena la energía química en las
moléculas de glucosa?
• 7.4 ¿Qué relación hay entre las reacciones
dependientes e independientes de la luz?
• 7.5 Agua, CO2 y la vía C4

Contenido de la sección 7.1
• 7.1 ¿Qué es la fotosíntesis?
– Las hojas y los cloroplastos son adaptaciones
para la fotosíntesis.
– La fotosíntesis consiste en reacciones
dependientes e independientes de la luz.

¿Qué es la fotosíntesis?
• Hace al menos 2000 millones de años,
algunas células adquirieron la capacidad
de aprovechar la energía de la luz solar.
• La fotosíntesis es la capacidad de captar
la energía de la luz solar y convertirla en
energía química.
• Casi todas las formas de vida en el planeta
dependen de la energía química que
producen los organismos fotosintéticos.

La ecuación de la fotosíntesis
6CO2
dióxido
de
carbono
+ 6H2O
agua
+ energía luminosa 
luz solar
C6H12O6
glucosa
(azúcar)
+ 6O2
oxígeno

• La fotosíntesis se efectúa en las plantas y
algas eucarióticas, y en ciertos tipos de
procariotas.
• Los organismos fotosintéticos son
autótrofos ( “que se alimentan por sí
mismos”).
• En las plantas, la fotosíntesis se lleva a
cabo dentro de los cloroplastos.
La ecuación de la fotosíntesis

Gases, Azúcar, y ciclo del agua
• La producción de compuestos de carbono
como la glucosa (fotosíntesis) está
vinculada a la extracción de energía (en la
respiración celular).
• El agua, CO2, azúcar, y O2 se alternan
entre los dos procesos.

¿Qué es la fotosíntesis?
• La fotosíntesis está interconectada con la
respiración celular.

FIGURA 7-1 Interconexiones entre la fotosíntesis y la respiración celular
Los cloroplastos de las plantas verdes utilizan la energía de la luz solar para sintetizar compuestos de carbono de alta energía, como glucosa, a partir
de las moléculas de baja energía de dióxido de carbono y agua. Las plantas mismas, así como otros organismos que comen plantas o se comen entre
sí, extraen energía de estas moléculas orgánicas por respiración celular, la cual produce de nueva cuenta agua y dióxido de carbono. A la vez, esta
energía impulsa todas las reacciones de la vida.

Adaptaciones para la fotosíntesis
• Hojas
• Cloroplastos

Hojas
• La forma aplanada de las hojas expone un
área superficial considerable a los rayos
solares.
• Las superficies tanto superior como inferior
de las hojas constan de una capa de
células transparentes: la epidermis.
• La superficie exterior de ambas capas
epidérmicas está cubierta por la cutícula,
que reduce la evaporación del agua en las
hojas.

Anatomía de las hojas
• Los poros ajustables llamados estomas se
abren y se cierran a intervalos adecuados
para admitir el CO2 del aire.
• Las células mesofílicas contienen casi
todos los cloroplastos de la hoja.
• Las haces vasculares (venas) suministran
agua y minerales a las células mesofílicas,
y llevan los azúcares producidos a otros
lugares de la planta.

Estructura interna de las hojas
• La estructura interna de las hojas es
fundamental en la fotosíntesis ya que ésta
se efectúa principalmente en las hojas de
las plantas terrestres.

FIGURA 7-2 Panorama general de las estructuras fotosintéticas
a) La fotosíntesis se efectúa principalmente en las hojas de las plantas terrestres. b) Corte seccional de una hoja,
que muestra las células mesofílicas donde se concentran los cloroplastos y la cutícula impermeable que reviste la
hoja en ambas superficies. c) Una célula mesofílica empacada con cloroplastos verdes. d) Un solo cloroplasto
que muestra el estroma y los tilacoides donde se realiza la fotosíntesis.

a) La fotosíntesis se efectúa principalmente en las hojas de las plantas terrestres.
Hojas

b) Corte seccional de una hoja, que muestra las células mesofílicas donde se concentran los cloroplastos y la cutícula impermeable
que reviste la hoja en ambas superficies.

c) Una célula mesofílica empacada con cloroplastos verdes.

d) Un solo cloroplasto que muestra el estroma y los tilacoides donde se realiza la fotosíntesis.

FIGURA 7-3 Estoma en la hoja de una planta de guisante

Anatomía del cloroplasto
• Una sola célula mesofílica puede tener de
40 a 200 cloroplastos.
• Los cloroplastos están unidos por una
doble membrana compuesta por
membranas internas y externas.

• El estroma es el medio semilíquido que
está dentro de la membrana interna.
• Las bolsas membranosas interconectadas
en forma de disco llamadas tilacoides se
presentan dentro del estroma en pilas
llamadas grana.
Anatomía del cloroplasto

Ubicación de las reacciones
fotosintéticas
• Las dos reacciones químicas de la
fotosíntesis se llevan a cabo en:
1. Las reacciones químicas de la fotosíntesis
que dependen de la luz (reacciones
dependientes de la luz) ocurren dentro de las
membranas de los tilacoides.
2. Las reacciones fotosintéticas que pueden
continuar durante cierto tiempo en la
oscuridad (reacciones independientes de la
luz) se realizan en el estroma circundante.

Dos grupos de reacciones
1. Reacciones dependientes de la luz:
– La clorofila y otras moléculas de las
membranas de los tilacoides captan la
energía de la luz solar.
– La luz solar se convierte en energía química
almacenada en moléculas portadoras de
energía.
– Como producto se libera gas oxígeno.

2. Reacciones independientes de la luz:
– Las enzimas del estroma utilizan la
energía química de las moléculas
portadoras (ATP Y NADPH) para
impulsar la síntesis de glucosa u otras
moléculas orgánicas.

• Las reacciones dependientes e
independientes de la luz están
relacionadas.

FIGURA 7-4 Relación entre las reacciones dependientes e independientes de la luz

• 7.2 Reacciones dependientes de la luz:
¿Cómo se convierte la energía luminosa
en energía química?
– Durante la fotosíntesis, los pigmentos de los
cloroplastos captan primero la luz.
– Las reacciones dependientes de la luz se
efectúan dentro de las membranas tilacoideas.
• El fotosistema II genera ATP.
• El fotosistema I genera NADPH.
• La descomposición del agua mantiene el flujo
de electrones a través de los fotosistemas.

Reacciones dependientes de la luz
• La energía capturada de la luz solar es
almacenada como energía química en
dos moléculas portadoras de energía:
–Trifosfato de adenosina (ATP).
–Dinucleótido de nicotinamida y
adenina fosfato (NADPH).

La energía en la luz visible
• El Sol emite energía electromagnética.
• La luz visible es una radiación que tiene
entre 400 y 750 nanómetros de longitud
de onda.

Luz capturada por pigmentos
• Paquetes individuales de energía
llamados fotones con diferentes niveles
de energía:
–Los fotones de longitud de onda corta
son muy energéticos.
–Los fotones de longitud de onda más
larga tienen menor energía.

• Acciones de los pigmentos que capturan
luz:
–Absorcion de ciertas longitudes de
onda (la luz es “atrapada”).
–Reflexión de ciertas longitudes de onda
(la luz rebota).
–Transmisión de ciertas longitudes de
onda (la luz pasa a través).

• La luz que se absorbe puede impulsar
procesos biológicos cuando se convierte
en energía química.
• Los pigmentos comunes que se
encuentran en los cloroplastos incluyen:
–Clorofila a y b.
–Pigmentos accesorios como los
carotenoides.

• La clorofila a y b absorbe la luz violeta, azul,
y roja, pero refleja la verde (por eso las hojas se
ven verdes).
• Los carotenoides absorben la luz azul y
verde, pero reflejan la amarilla, naranja, o
roja (por eso se ven de color amarillo-
naranja).

• Los pigmentos absorben la luz visible.

FIGURA 7-5 Luz, pigmentos de cloroplastos y
fotosíntesis
La luz visible, una pequeña parte del espectro
electromagnético, consiste en longitudes de
onda que corresponden a los colores del
arcoíris. La clorofila (curvas azul y verde)
absorbe intensamente las luces violeta, azul y
roja. Los carotenoides (curva anaranjada)
absorben las longitudes de onda azul y verde.
Longitud de onda (nanómetros)

Por qué las hojas cambian de
color en otoño
• Tanto los carotenoides como la clorofila
están presentes en las hojas:
– La clorofila se descompone antes de que lo
hagan los carotenoides, revelando así los
carotenoides de colores amarillo y anaranjado
característicos del otoño.
– Los colores rojos (pigmentos de antocianina)
son sintetizados por algunas hojas en otoño,
produciendo colores rojos.

FIGURA 7-6 La pérdida de clorofila revela los carotenoides amarillos

• Fotosistemas dentro de las membranas
tilacoideas Figura 7-8 8e:
– Los fotosistemas son sistemas altamente
organizados de proteínas, clorofila y
moléculas de pigmentos accesorios.
– Las membranas tilacoideas contienen dos
fotosistemas (FS I y FS II).
– Cada fotosistema está asociado con una
cadena de moléculas portadoras de
electrones.

FIGURA 7-8 Los sucesos de las reacciones dependientes de la luz ocurren en las membranas tilacoideas y cerca de éstas

FIGURA 7-8 (parte 1) Los sucesos de las reacciones dependientes de la luz ocurren en las membranas tilacoideas y cerca de éstas
tilacoide
cloroplasto

FIGURA 7-8 (parte 2) Los sucesos de las reacciones dependientes de la luz ocurren en las membranas tilacoideas y cerca de éstas

Pasos en las reacciones de la luz:
1. Los pigmentos accesorios de los
fotosistemas absorben la luz y pasan su
energía a centros de reacción que
contienen clorofila a.
2. Los centros de reacción reciben a los
electrones energizados.

3. Los electrones energizados pasan después
a una serie de moléculas portadoras de
electrones (cadena transportadora de
electrones).
4. La energía liberada por los electrones se
capta y utiliza para sintetizar ATP del ADP y
fosfato.
5. Los electrones energizados también se
usan para producir NADPH de NADP+ +
H+.

• Las reacciones dependientes de la luz
se asemejan en muchas formas a una
máquina de juego de pinball.

FIGURA 7-7 Reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis
1 La luz es absorbida por el fotosistema II, y la energía se transfiere a los electrones en las moléculas de clorofila a del centro de reacción. 2 Los
electrones energéticos salen del centro de reacción. 3 Los electrones se mueven a la cadena transportadora de electrones adyacente. 4 La cadena
transporta los electrones, y cierta cantidad de su energía se emplea para impulsar la síntesis del ATP mediante la quimiósmosis. Los electrones sin
energía sustituyen los que se perdieron por el fotosistema I. 5 La luz incide en el fotosistema I, y se pasa energía a los electrones en las moléculas de
clorofila a del centro de reacción. 6 Los electrones energéticos salen del centro de reacción. 7 Los electrones se mueven a la cadena transportadora
de electrones. 8 Los electrones energéticos del fotosistema I son captados en las moléculas de NADPH. 9 Los electrones perdidos por el centro de
reacción del fotosistema II son reemplazados por los electrones que se obtienen por la descomposición del agua, que es una reacción que también
libera oxígeno y H+ empleado para formar NADPH.

El fotosistema II genera ATP
• En los tilacoides, el fotosistema II esta
situado antes del fotosistema I.
• Existen cuatro pasos en la generación
de ATP del fotosistema II.

Pasos en la generación de ATP del
fotosistema II:
1. Dos fotones son absorbidos por el
fotosistema II.
– La energía de la luz solar se mueve entre
las moléculas de los pigmentos.
2. En el centro de reacción, dos
electrones son impulsados hacia fuera
de las moléculas de clorofila a cuando
llega la energía.

3. El primer portador de electrones acepta
a los dos electrones energéticos:
– Los electrones entonces se mueven entre
las moléculas portadoras.
– La energía liberada de los electrones se
utiliza para bombear H+ a través de la
membrana tilacoidea hacia el interior de su
compartimento, creando así un gradiente.
4. Un gradiente de concentraciones de
iones H+ se usa para impulsar la
síntesis de ATP (quimiósmosis).

5. La energía de los fotones de luz es
absorbida por el fotosistema I:
• La energía se transfiere a los electrones en
las moléculas de clorofila a del centro de
reacción.
6. Dos electrones energéticos salen del
centro de reacción.
7. Los electrones saltan a la cadena
transportadora de electrones del FS I.

El fotosistema I genera NADPH
8. Los dos electrones energéticos, NADP+,
y H+ se usan para formar 1 molécula de
NADPH.
9. El ion H+ se obtiene de la
descomposición del H2O en 2 H+ y ½O2 .

Mantener el flujo de electrones
• Los electrones fluyen del fotosistema II
hacia el fotosistema I.

• Los electrones que salen del FS II son
reemplazados cuando se descompone el H2O:
– H2O  ½O2 + 2H+ + 2e-
– Dos electrones de agua reemplazan a los
que se pierden cuando 2 fotones expulsan
a 2 electrones fuera del FS I.
– Dos iones hidrógeno se emplean para
formar NADPH.
– Los átomos de oxígeno se combinan para
formar O2 .
Mantener el flujo de electrones

Oxígeno
• Puede ser usado por las plantas o
liberado en la atmósfera.

FIGURA 7-9 El oxígeno es un producto de la fotosíntesis
Las burbujas que se desprenden de las hojas de esta planta acuática (Elodea) son de oxígeno, un producto de la fotosíntesis.

• 7.3 Reacciones independientes de la
luz: ¿Cómo se almacena la energía
química en las moléculas de glucosa?
–El ciclo C3 capta dióxido de carbono.
–El carbono fijado durante el ciclo C3 se
utiliza para sintetizar glucosa.

Reacciones independientes de
la luz
• El ATP y el NADPH sintetizados durante
las reacciones dependientes de la luz se
usan para sintetizar glucosa.
• Se pueden efectuar sin la intervención de
la luz siempre y cuando haya disponibles
ATP y NADPH.
• Las reacciones independientes de la luz se
llaman ciclo de Calvin-Benson o ciclo C3.

El ciclo C3
• Seis moléculas de CO2 se usan para para
sintetizar la glucosa (C6H12O6).
• El dióxido de carbono se captura y se
vincula al azúcar bifosfato de ribulosa
(RuBP).
• El ATP y NADPH de las reacciones
dependientes de la luz se usa para
impulsar reacciones del ciclo C3.

FIGURA 7-10 El ciclo C3 de la fijación de carbono
1 Seis moléculas de RuBP reaccionan con seis moléculas de CO2 para formar 12 moléculas de PGA. Esta reacción es fijación de carbono: se
capta carbono del CO2 para introducirlo en moléculas orgánicas. 2 La energía de 12 ATP y los electrones e hidrógenos de 12 NADPH se emplean
para convertir las 12 moléculas de PGA en 12 de G3P. 3 La energía de seis moléculas de ATP se usa para reordenar diez de G3P como seis de
RuBP, para completar una vuelta del ciclo C3. 4 Dos moléculas de G3P está disponibles para sintetizar glucosa u otras moléculas orgánicas. El
proceso en (4) tiene lugar fuera del cloroplasto y no forma parte del ciclo C3.

El ciclo C3 tiene tres partes
1. Fijación de carbono (captura de
carbono):
– 6 moléculas de bifosfato de ribulosa (RuBP)
se combinan con 6 moléculas de CO2.
– El paso de la fijación y las reacciones
posteriores producen doce moléculas de
tres carbonos de ácido fosfoglicérico (PGA).

2. Síntesis de gliceraldehído-3-fosfato
(G3P):
– La energía es donada por el ATP y NADPH.
– Las moléculas de ácido fosfoglicérico (PGA)
se convierten en moléculas de
gliceraldehído-3-fosfato (G3P).

3. Regeneración de bifosfato de ribulosa
(RuBP):
– 10 de12 moléculas de G3P se reordenan
como 6 moléculas de RuBP.
– 2 de 12 moléculas de G3P se usan para
sintetizar 1 glucosa.
– La energía del ATP se usa en estas
reacciones.

Síntesis de glucosa
• Uno de los ciclos C3 produce dos
moléculas G3P “sobrantes”.
• Dos moléculas G3P (de 3 carbonos cada
una) se usan para formar 1 glucosa (de 6
carbonos).
• La glucosa entonces se puede
descomponer durante la respiración
celular o almacenar en cadenas como
almidón o celulosa.

• 7.4 ¿Qué relación hay entre las
reacciones dependientes e
independientes de la luz?

Relación entre las reacciones
• La parte “foto” de la palabra fotosíntesis
se refiere a la captación de energía
luminosa (reacciones dependientes de la
luz).
• La parte “síntesis” de la palabra
fotosíntesis se refiere a la síntesis de
glucosa (reacciones independientes de la
luz).

• Las reacciones dependientes de la luz
producen ATP y NADPH, que se usan
para impulsar a las reacciones
independientes de la luz.
• Los transportadores agotados (ADP y
NADP+) se vuelven a cargar usando las
reacciones dependientes de la luz.
Relación entre las reacciones

FIGURA 7-11 Resumen gráfico de la fotosíntesis

• 7.5 Agua, Co2 y la vía C4
– Cuando los estomas se cierran para
conservar agua se lleva a cabo la
derrochadora fotorrespiración.
– Las plantas C4 reducen la fotorrespiración
mediante un proceso de fijación de carbono
en dos etapas.
– Las plantas C3 y C4 se adaptan a condiciones
ambientales diferentes.

Agua, Co2 y la vía C4
• Una hoja ideal:
–Debe tener una área superficial grande
para interceptar mucha luz solar.
–Debe ser muy porosa para que el CO2
entre en abundancia en la hoja desde el
aire.

• Problema: La porosidad al aire permite
que el agua se evapore de la hoja con
facilidad, lo que causa tensión por
deshidratación.
• Muchas plantas han desarrollado un
recubrimiento impermeable y poros
ajustables (estomas), que difunden con
facilidad el CO2 del aire.
Agua, Co2 y la vía C4

Cuando los estomas se cierran
• Cuando los estomas se cierran, los niveles
de CO2 bajan y los de O2 suben.
• Cuando O2 (en vez de CO2) se combina con
RuBP ocurre un proceso derrochador
(llamado fotorrespiración).

• Fotorrespiración:
–O2 se consume a medida que se genera
CO2 .
–No produce energía celular útil.
–No produce glucosa.
–La fotorrespiración es improductiva y
derrochadora.

• En climas cálidos y secos, los estomas
rara vez se abren.
• Los niveles de oxígeno aumentan a
medida que los niveles de dióxido de
carbono disminuyen dentro de la hoja.
• Bajo estas condiciones, es muy común la
fotorrespiración.
• Las plantas pueden morir por falta de
síntesis de glucosa.

Las plantas C4 reducen la
fotorrespiración
• En una “planta C4” las células mesofílicas
y las de la vaina del haz contienen
cloroplastos:
–Las células de la vaina del haz rodean a
las haces vasculares dentro de las
células mesofílicas.
–En las plantas C3, las células de vaina
de haz no contienen cloroplastos.

• Las plantas C4 usan la vía C4.
–Proceso de dos etapas para fijar
carbono.
Las plantas C4 reducen la
fotorrespiración

1. Las células mesofílicas externas contienen
una molécula llamada fosfoenolpiruvato
(PEP) en vez de RuBP.
2. El CO2 reacciona con PEP para formar
moléculas intermediarias de cuatro carbonos.
La reacción es catalizada por una enzima
específica y no se ve inhibida por el oxígeno.
3. Una molécula de cuatro carbonos se usa
para transportar carbono desde las células
mesofílicas hasta las células de la vaina del
haz.
La vía C4

4. El CO2 se libera en las células de la
vaina del haz, acumulando altas
concentraciones de CO2.
• El CO2 de las células de la vaina del haz
se fija por medio de la vía C3 estándar.
• La molécula transportadora de tres
carbonos regresa a las células
mesofílicas.
La vía C4

FIGURA 7-12a Comparación de plantas C3 y C4 en condiciones cálidas y secas
a) Con niveles bajos de CO2 y altos de O2 la fotorrespiración domina en las plantas C3, porque la enzima rubisco hace que RuBP se combine con O2 en
vez de con CO2.

FIGURA 7-12Bb Comparación de plantas C3 y C4 en condiciones cálidas y secas
b) En las plantas C4 el CO2 se combina con PEP mediante una enzima más selectiva que se encuentra en las células mesofílicas, y el carbono se
lanza a las células de la vaina del haz mediante una molécula de cuatro carbonos, la cual libera CO2 ahí. Los niveles más altos de CO2 permiten a
la vía C3 funcionar de manera eficiente en las células de la vaina del haz. Observa que se requiere energía del ATP para regenerar el PEP.

Condiciones ambientales
• La vía C4 consume más energía que la vía
C3.
• Las plantas C4 prosperan cuando la luz es
abundante, pero el agua es escasa
(desiertos y climas cálidos).
–Ejemplos de plantas C4: el maíz, la caña
de azúcar, el sorgo, algunos pastos
(incluido el garrachuelo) y ciertos tipos
de cardos.

• Las plantas C3 prosperan donde el agua
es abundante o los niveles de luz son
bajos (climas frescos, húmedos y
nublados).
–Ejemplos de plantas C3: granos cómo
trigo, avena y arroz; y pastos como la
poa pratense.
Condiciones ambientales

Fotosíntesis

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Similar a Fotosíntesis

Similar a Fotosíntesis (20)

Último

Último (20)

Fotosíntesis