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Fotosíntesis Que es y definiciones

Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso por el cual todos los organismos autotróficos como las plantas verdes, las algas y las bacterias fotosintéticas utilizan energía luminosa para producir azúcar y gas oxígeno a partir de dióxido de carbono y agua. El término fotosíntesis puede definirse como un proceso en el que todas las plantas convierten todas las materias primas inorgánicas en sus compuestos orgánicos en presencia de luz solar.

 Todas las formas de vida en el universo requieren energía para su crecimiento y mantenimiento. Al igual que comemos y ganamos energía, incluso las plantas requieren algo de energía para lo cual sintetizan su energía capturando la energía directamente del sol y usan la energía para la síntesis de materiales alimenticios esenciales.

Fotosíntesis de las plantas

Las plantas realizan la fotosíntesis porque genera la comida y la energía que necesitan para el crecimiento y la respiración celular. Es importante señalar que no todas las plantas fotosintetizan. Algunos son parásitos y simplemente se adhieren a otras plantas y se alimentan de ellas.

Para que las plantas realicen la fotosíntesis, requieren energía lumínica del sol, el agua y el dióxido de carbono. El agua se absorbe del suelo hacia las células de las raíces. El agua pasa del sistema de raíces a los vasos de xilema en el tallo hasta que alcanza las hojas. El dióxido de carbono se absorbe de la atmósfera a través de los poros en las hojas llamadas estomas. Las hojas también contienen cloroplastos que contienen clorofila. La energía del sol es capturada por la clorofila.

Las hojas son esenciales para el bienestar de las plantas. La mayoría de las reacciones involucradas en el proceso de fotosíntesis tiene lugar en las hojas. El siguiente diagrama muestra la sección transversal de una hoja de planta típica.

Que es la fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso utilizado por las plantas, las algas y ciertas bacterias para aprovechar la energía de la luz solar en energía química.

Hay dos tipos de procesos fotosintéticos: la fotosíntesis oxigénica y la fotosíntesis anoxigénica. La fotosíntesis oxigenada es la más común y se observa en plantas, algas y cianobacterias.

Durante la fotosíntesis oxigénica, la energía de la luz transfiere electrones del agua (H 2 O) al dióxido de carbono (CO 2 ), que produce carbohidratos. En esta transferencia, el CO 2  se “reduce” o recibe electrones y el agua se “oxida” o pierde electrones. En última instancia, el oxígeno se produce junto con los hidratos de carbono.

La fotosíntesis oxigenada funciona como un contrapeso a la respiración; absorbe el dióxido de carbono producido por todos los organismos que respiran y reintroduce oxígeno en la atmósfera. En su artículo de 1998, ” Una introducción a la fotosíntesis y sus aplicaciones “, Wim Vermaas, profesor de la Universidad Estatal de Arizona, conjeturó, “sin la fotosíntesis [oxigénica], el oxígeno en la atmósfera se agotaría dentro de varios miles de años”.

Por otro lado, la fotosíntesis anoxigénica utiliza donantes de electrones distintos del agua. El proceso típicamente ocurre en bacterias tales como bacterias moradas y bacterias  verdes de azufre . “La fotosíntesis anoxigénica no produce oxígeno, de ahí el nombre”, dijo  David Baum , profesor de botánica de la Universidad de Wisconsin-Madison. “Lo que se produce depende del donador de electrones”. Por ejemplo, muchas bacterias usan el sulfuro de hidrógeno del gas con olor a huevos malos, produciendo azufre sólido como subproducto “.

Aunque ambos tipos de fotosíntesis son asuntos complejos y de varios pasos, el proceso general se puede resumir perfectamente como una ecuación química.

La fotosíntesis oxigenada se escribe de la siguiente manera:

6CO 2  + 12H 2 O + Energía luminosa → C 6 H 12 O 6  + 6O 2  + 6H 2 O

Aquí, seis moléculas de dióxido de carbono (CO 2 ) se combinan con 12 moléculas de agua (H 2 O) usando energía lumínica. El resultado final es la formación de una sola molécula de carbohidrato (C 6 H 12 O 6 , o glucosa) junto con seis moléculas de oxígeno y agua respirables.

De forma similar, las diversas reacciones fotosintéticas anoxigénicas se pueden representar como una única fórmula generalizada:

CO  + 2H 2 A + Energía luminosa → [CH 2 O] + 2A + H 2 O

Como explican Govindjee y John Whitmarsh en ” Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis ” (Narosa Publishers y Kluwer Academic, 1999) la letra “A” en la ecuación es una variable y “H 2 A” representa el potencial donador de electrones. Por ejemplo, ‘A’ puede representar azufre en el donador de electrones sulfuro de hidrógeno (H 2 S).

Los siguientes son componentes celulares esenciales para la fotosíntesis.

Pigmentos

Los pigmentos  son moléculas que otorgan color a las plantas, las algas y las bacterias, pero también son responsables de atrapar efectivamente la luz solar. Los pigmentos de  diferentes colores absorben diferentes longitudes  de onda de luz. A continuación están los tres grupos principales.

  • Clorofilas: estos pigmentos de color verde son capaces de atrapar la luz azul y roja. Las clorofilas tienen tres subtipos, denominados clorofila a, clorofila b y clorofila c. Según Eugene Rabinowitch y Govindjee en su libro ” Fotosíntesis ” (Wiley, 1969), la clorofila a se encuentra en todas las plantas fotosintetizadoras. También hay una variante bacteriana llamada acertadamente bacterioclorofila, que absorbe la luz infrarroja. Este pigmento se ve principalmente en las bacterias púrpura y verde, que realizan la fotosíntesis anoxigénica.
  • Carotenoides: estos pigmentos rojos, anaranjados o de color amarillo absorben la luz verde azulada. Los ejemplos de carotenoides son xantofila (amarillo) y caroteno (naranja) de los cuales las zanahorias obtienen su color.
  • Ficobilinas: estos pigmentos rojos o azules absorben longitudes de onda de luz que no son tan bien absorbidas por las clorofilas y los carotenoides. Se los ve en cianobacterias y algas rojas.

Plástidos

Los  organismos eucarióticos fotosintéticos  contienen organelos llamados plastos en su citoplasma. Según Cheong Xin Chan y Debashish Bhattacharya de la Universidad de Rutgers ( Nature Education, 2010 ), los plastidios de doble membrana en plantas y algas se conocen como plastidios primarios, mientras que la variedad de múltiples membranas que se encuentra en el plancton se llama plastidios secundarios. Estos orgánulos generalmente contienen pigmentos o pueden almacenar nutrientes. En ” The Cell: A Molecular Approach 2nd Ed ” (Sinauer Associates, 2000), Geoffrey Cooper enumera los diversos plastidios encontrados en las plantas. Los leucoplastos incoloros y no pigmentados   almacenan grasas y almidón, mientras que los  cromoplastos  contienen carotenoides y  cloroplastos. contiene clorofila

La fotosíntesis ocurre en los cloroplastos, específicamente, en las regiones de grana y estroma. El grana es la  parte más interna  del orgánulo; una colección de membranas en forma de disco, apiladas en columnas como placas. Los discos individuales se llaman tilacoides. Es aquí donde tiene lugar la transferencia de electrones. Los espacios vacíos entre columnas de grana constituyen el estroma (The Cell: A Molecular Approach 2nd Ed, Sinauer Associates, 2000).

Los cloroplastos son similares a las  mitocondrias ya  que tienen su propio genoma, o colección de genes, contenidos en el ADN circular. Estos genes  codifican proteínas  esenciales para el orgánulo y para la fotosíntesis. Al igual que las mitocondrias, también se cree que los cloroplastos se originaron a partir de células bacterianas primitivas a través del proceso de endosimbiosis.

“Los plástidos se originaron a partir de bacterias fotosintéticas envueltas que fueron adquiridas por una célula eucariota unicelular hace más de mil millones de años”, dijo Baum a LiveScience. Baum explicó que el análisis de los genes de los cloroplastos muestra que una vez fue miembro del grupo de las  cianobacterias , “el único grupo de bacterias que puede lograr la fotosíntesis oxigénica”.

Sin embargo, Chan y Bhattacharya (Nature Education, 2010) señalan que la formación de plásmidos secundarios no puede explicarse bien por la endosimbiosis de las cianobacterias, y que los orígenes de esta clase de plastidios siguen siendo un tema de debate.

Antenas

Las moléculas de pigmento están asociadas con proteínas, que les permiten la flexibilidad de moverse hacia la luz y hacia el otro. Una gran colección de 100 a 5.000 moléculas de pigmento constituye “antenas”, según Vermaas. Estas estructuras capturan efectivamente la energía de la luz del sol, en forma de fotones. En última instancia, la energía de la luz debe transferirse a un complejo de pigmento y proteína que puede convertirla en energía química, en forma de electrones. En las plantas, por ejemplo, la energía de la luz se transfiere a pigmentos de clorofila. La conversión a energía química se logra cuando un pigmento de clorofila expulsa un electrón, que luego puede pasar a un receptor apropiado.

Centros de reacción

Los pigmentos y las proteínas que convierten la energía de la luz en energía química y comienzan el proceso de transferencia de electrones se conocen como centros de reacción, según Vermaas.

Los organismos fotosintéticos oxigenados y fotosintéticos oxigenados usan diferentes donantes de electrones para la fotosíntesis. Además, la fotosíntesis anoxigénica tiene lugar en un solo tipo de centro de reacción, mientras que la fotosíntesis oxigénica tiene lugar en dos, cada uno de los cuales absorbe una longitud de onda de luz diferente, según Govindjee y Whitmarsh. Sin embargo, los principios generales de los dos procesos son similares. A continuación se muestran los pasos de la fotosíntesis, centrándose en el proceso tal como ocurre en las plantas.

Las  reacciones de la fotosíntesis de las plantas  se dividen en aquellas que requieren la presencia de la luz solar y las que no. Ambos tipos de  reacciones tienen lugar en los cloroplastos : reacciones dependientes de la luz en el tilacoide y reacciones independientes de la luz en el estroma.

Reacciones dependientes de la  luz (también llamadas reacciones a la luz): cuando un fotón de luz llega al centro de reacción, una molécula de pigmento como la clorofila libera un electrón. “El truco para hacer un trabajo útil es evitar que ese electrón regrese a su hogar original”, dijo Baum a LiveScience. “Esto no se evita fácilmente porque la clorofila ahora tiene un” agujero de electrones “que tiende a atraer a los electrones cercanos”. El electrón liberado logra escapar al viajar a través de una  cadena de transporte de electrones , que genera la energía necesaria para producir ATP (trifosfato de adenosina) , una fuente de energía química para las células) y NADPH. El “agujero de electrones” en el pigmento de clorofila original se llena tomando un electrón del agua. Como resultado, el oxígeno se libera a la atmósfera.

Reacciones independientes de la luz  (también llamadas reacciones oscuras): el ATP y el NADPH son fuentes de energía ricas que generan reacciones oscuras. Durante este proceso, el dióxido de carbono y el agua se combinan para formar carbohidratos como la glucosa. Esto se conoce como fijación de carbono.

Fotosíntesis en el futuro

La fotosíntesis genera todo el oxígeno respirable en la atmósfera y hace que las plantas sean ricas en nutrientes. Pero los investigadores han estado buscando formas de aprovechar aún más el poder del proceso.

En su artículo de 1998, Vermaas menciona la posibilidad de usar organismos fotosintéticos para generar combustibles limpios como el hidrógeno o incluso el metano. Vermaas señala: “Aunque el metano en la combustión formará CO 2 , el  balance atmosférico global de CO 2 no se alterará, ya que una cantidad igual de CO 2  habrá sido eliminada de la atmósfera luego de la producción de metano por parte del organismo fotosintético”.

Los avances también se han realizado en el campo de la fotosíntesis artificial. Un grupo de investigadores desarrolló recientemente un  sistema artificial  para capturar dióxido de carbono utilizando nanotecnología (nanocables). Esto se alimenta en un sistema de microbios que reducen el dióxido de carbono en combustibles o polímeros mediante el uso de la energía de la luz solar.

Fases de la fotosíntesis

Hay dos fases en la fotosíntesis. 

Fotosíntesis Reacción luminosa

Esta reacción de la fotosíntesis requiere luz y se produce en las membranas de los tilakoides. En esta reacción la luz golpea los centros de reacción de la clorofila, que se encuentran en los cloroplastos. La clorofila empieza a vibrar, lo que resulta en la escisión de la molécula de agua (H 2 O) y oxígeno (O) se liberan en el aire y las moléculas restantes de hidrógeno (H) del agua (H 2 O) permanece en cloroplasto y obtiene Adjunto al NADP. En esta fase de la fotosíntesis hay una pérdida de energía a lo largo de la cadena de transporte de electrones para recargar ATP de ADP. En este proceso, la energía de la luz se convierte en energía química y finalmente se producen moléculas de ATP. Esta reacción también se denomina reacción dependiente de la luz.

Una ecuación para la reacción de la luz es: 

ADP + NADP + H 2 O  →  ATP + NADPH + H ion + O 2.

 

Fotosíntesis Reacción oscura



Esta reacción de la fotosíntesis no requiere luz y se produce en el estroma. En esta reacción el dióxido de carbono (CO 2 ) presente en la atmósfera se combina con hidrógeno (H) a partir de moléculas de agua para formar glucosa. En este proceso, las moléculas de ATP producidas se convierten en azúcares simples. En esta fase de la fotosíntesis ATP y NADPH se utilizan para producir energía y azúcar de glucosa se sintetiza a partir de dióxido de carbono y el hidrógeno. Esta reacción también se denomina reacción independiente de la luz.

Una ecuación para la reacción oscura es:

ATP + NADPH + CO $   $ →  ADP + NADP + glucosa.

Reacción de fotosíntesis

Una reacción química global implicada en el proceso de fotosíntesis es  

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

Plantas Fotossíntesis

Todos los organismos fotosintéticos contienen uno o más pigmentos orgánicos, capaces de observar las radiaciones visibles e iniciarán las reacciones fotoquímicas de la fotosíntesis. La clorofila-A y la clorofila-B son los pigmentos más importantes que intervienen en el proceso de fotosíntesis de las plantas.

Célula de la clorofila

 
  1. La clorofila A es un pigmento presente en todos los organismos de fotosíntesis, que desarrollan oxígeno. Es de color verde azulado
  2. La clorofila B es un pigmento presente en las hojas de todas las plantas superiores y en las algas verdes. Es de color verde amarillento.
  3. Los pigmentos clorofila presentes en las bacterias se llaman bacteriochlorophylls.
Las absorciones de los pigmentos clorofila A y clorofila B oscilan entre 643 y 660 nm.

Función de la fotosíntesis

  1. La fotosíntesis es un proceso de conversión de la energía radiante del sol en la energía química de los tejidos vegetales.
  2. Evoluciona oxígeno molecular, para su uso por otros organismos vivos.
  3. Mantiene el nivel de oxígeno atmosférico, que es consumido continuamente por plantas y animales durante la respiración.
  4. Produce hidratos de carbono que son utilizados por las plantas y los animales para sintetizar ácidos orgánicos, proteínas, grasas, ácidos nucleicos, pigmentos, hormonas, vitaminas, alcaloides y otros metabolitos.
  5. P hotosynthesis es el único proceso, que produce enormes cantidades de materia orgánica para sostener la vida en la tierra. Por ejemplo : fibras naturales, fármacos, vitaminas, gomas, caucho, muebles, etc.

Fotosíntesis del ciclo de Calvin

Calvin ciclo es la parte de la fotosíntesis, que se produce en dos etapas. 
  • En la primera etapa, la energía luminosa se utiliza para producir ATP y NADPH.
  • En la segunda etapa, el dióxido de carbono y las moléculas de agua se convierten en moléculas orgánicas. Esta reacción requiere NADP reducido, que se producen a partir de la reacción dependiente de la luz. Todo el proceso en el ciclo de Calvin tiene lugar en dark.Hence también se refiere como reacciones oscuras.

 

El ciclo de Calvin se produce en el estroma de los cloroplastos y sintetiza el azúcar a partir del dióxido de carbono. Durante esta reacción las moléculas de ATP, que se genera en las reacciones de luz, proporcionan la energía para la síntesis de azúcar y el NADPH producido en las reacciones de luz proporciona los electrones para La reducción del dióxido de carbono a la glucosa

La ecuación química general para el ciclo de Calvin es:

3 CO 2 + 6 NADPH + 5 H 2 O + 9 ATP  →  gliceraldehído-3-fosfato (G3P) + 2 H + + 6 + NADP + 9 ADP + 8 Pi (Pi = fosfato inorgánico)

Pasos de la fotosíntesis

  1. En todas las plantas verdes, este proceso se produce en las hojas. 
  2. El dióxido de carbono y el oxígeno entran y salen de las hojas por los poros llamados estomas. 
  3. El agua se entrega a las hojas de las raíces a través de un sistema vascular. 
  4. La clorofila, presente en los cloroplastos de las células foliares ayuda a absorber la luz solar.
  5. La clorofila y otros carotenoides ayudan a transferir la energía de la luz.
  6. La fotosíntesis se lleva a cabo en dos fases.
  7. Las reacciones de luz producen hidratos de carbono utilizando ATP y NADPH 
  8. La reacción oscura sintetiza el azúcar de dióxido de carbono con la ayuda de ATP y NADPH.

Flujo de fotosíntesis

A continuación se puede ver el diagrama de flujo de fotosíntesis

 

Fórmula de la fotosíntesis

La síntesis de hidratos de carbono a partir de CO 2 y H 2 O con la ayuda de energía externa se conoce como la asimilación de carbono, que con la ayuda de la clorofila y la luz con posterior evolución del oxígeno se denomina como fotosíntesis . 

La nueva reacción global para la Fórmula de la Fotosíntesis según Ruban y Kamen (1941) se da a continuación.

photosynthesis formula - Fotosíntesis Que es y definiciones

La fotosíntesis es una transformación de energía en la que la energía solar en forma de luz se utiliza para hacer moléculas de carbohidratos.
 
 

Problemas de fotosíntesis

Los problemas resueltos basados ​​en la fotosíntesis se dan a continuación.

Ejemplos resueltos

Cuestión 1: La fotosíntesis en plantas genera azúcares como glucosa (C 6 H 12 O 6 ) y oxígeno a partir de dióxido de carbono y agua. ¿Cuántos kilogramos de oxígeno se producen a partir de la fotosíntesis de 330 kg de dióxido de carbono? 
Solución:
 
Para la fotosíntesis, la información dada en la pregunta nos permite calcular que la ecuación está desequilibrada. Después de equilibrar la ecuación obtenemos, 
Fotosíntesis Que es y definiciones
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 Que es la Fotosíntesis
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Que es la Fotosíntesis
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La fotosíntesis es el proceso por el cual todos los organismos autotróficos como las plantas verdes, las algas y las bacterias fotosintéticas utilizan energía luminosa para producir azúcar y gas oxígeno a partir de dióxido de carbono y agua.
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