La fotosíntesis y la quimiosíntesis
En una pileta abandonada del Delta del Paraná, el agua se vuelve verde en pocas semanas y, al mediodía, se ven burbujitas pegadas a las paredes. ¿Qué están haciendo esas algas con la luz y qué es lo que burbujea? Y en el fondo del mar, donde no llega ni un rayo de sol, hay seres vivos que también fabrican su materia orgánica: ¿cómo lo logran?
La ecuación y el cloroplasto
La fotosíntesis es el proceso por el cual los autótrofos fabrican materia orgánica a partir de materia inorgánica usando la energía de la luz. Es una forma de anabolismo: se sintetiza una molécula grande y rica en energía a partir de moléculas pequeñas, así que requiere un aporte de energía.
Pensalo como un reordenamiento de átomos, con bolitas: en total hay 6 átomos de C, 18 de O y 12 de H, y ninguno se crea ni se destruye.
En las células eucariotas fotosintéticas (plantas y algas) el proceso ocurre en los cloroplastos. Las cianobacterias, que son procariotas, también hacen fotosíntesis, pero no tienen cloroplastos: lo hacen en membranas internas de la propia célula.
Los tilacoides son sacos aplanados de membrana; se apilan formando granos. El líquido que los rodea es el estroma. Las membranas de los tilacoides contienen los pigmentos y las proteínas de la fase luminosa: al ser muchas y estar apiladas, ofrecen una gran superficie para captar luz y alojar los complejos que transportan electrones.
Escribí la ecuación global de la fotosíntesis oxigénica e indicá qué molécula se oxida y cuál se reduce en el proceso.
Escribí la ecuación global de la fotosíntesis oxigénica e indicá qué molécula se oxida y cuál se reduce en el proceso.
¿Qué son los tilacoides y qué son los granos? Explicá por qué las membranas de los tilacoides son el lugar adecuado para la fase luminosa de la fotosíntesis.
¿Qué son los tilacoides y qué son los granos? Explicá por qué las membranas de los tilacoides son el lugar adecuado para la fase luminosa de la fotosíntesis.
En el esquema de un cloroplasto se señalan dos estructuras con los números 1 y 2. Identificalas y explicá qué procesos fotosintéticos ocurren en cada una,…
En el esquema de un cloroplasto se señalan dos estructuras con los números 1 y 2. Identificalas y explicá qué procesos fotosintéticos ocurren en cada una, relacionándolos con las flechas de entrada y salida que aparecen en el esquema.
Pigmentos: cómo se capta la luz
La luz blanca es una mezcla de colores (longitudes de onda). Un pigmento absorbe algunos y refleja otros: el color que vemos es el que refleja.
El pigmento principal es la clorofila, que está en las membranas de los tilacoides del cloroplasto. Absorbe sobre todo la luz violeta-azul y la roja, y refleja la verde: por eso las hojas se ven verdes. Hay pigmentos accesorios (carotenoides, amarillos y anaranjados) que amplían el rango de luz aprovechable.
¿Qué pigmento principal capta la luz en las plantas verdes y en qué estructura de la célula se encuentra? ¿Qué colores (longitudes de onda) de la luz absorbe…
¿Qué pigmento principal capta la luz en las plantas verdes y en qué estructura de la célula se encuentra? ¿Qué colores (longitudes de onda) de la luz absorbe preferentemente y cuál refleja?
Las dos fases de la fotosíntesis
La fotosíntesis ocurre en dos etapas conectadas:
| Fase dependiente de la luz (luminosa) | Fase independiente de la luz (ciclo de Calvin) | |
|---|---|---|
| Lugar | Membranas de los tilacoides | Estroma |
| Entra | Luz, $H_2O$, ADP, $NADP^+$ | $CO_2$, ATP, NADPH |
| Sale | $O_2$, ATP, NADPH | Glucosa (glúcidos), ADP, $NADP^+$ |
Los productos de la fase luminosa (ATP y NADPH) son el "combustible" de la fase siguiente: el ATP aporta la energía y el NADPH aporta los electrones e hidrógenos para reducir el $CO_2$ y construir glúcidos. Cuando se gastan, vuelven como ADP y $NADP^+$ a la fase luminosa para recargarse.
La fase luminosa y la fotólisis del agua
La luz excita electrones de la clorofila, que viajan por una cadena de transportadores en la membrana del tilacoide hasta el $NADP^+$, formando NADPH. Durante ese recorrido se bombean protones y se fabrica ATP. Para reponer los electrones perdidos ocurre la fotólisis del agua:
$$2\,H_2O \xrightarrow{\text{luz}} 4\,H^+ + 4\,e^- + O_2$$Los electrones reponen los de la clorofila y terminan en el NADPH, los protones contribuyen al gradiente que mueve la ATP sintasa y también se unen al NADPH, y el oxígeno se libera a la atmósfera.
El ciclo de Calvin
En el estroma, el $CO_2$ se une a un azúcar de 5 carbonos (RuBP) gracias a la enzima RuBisCO. Los compuestos formados se reducen con el ATP y el NADPH de la fase luminosa, y parte de las moléculas obtenidas se usa para fabricar glucosa mientras el resto regenera la RuBP, de modo que el ciclo sigue funcionando. No hace falta memorizar cada paso: lo central es qué entra ($CO_2$, ATP, NADPH) y qué sale (glúcidos).
Nombrá las dos grandes fases de la fotosíntesis, indicá en qué parte del cloroplasto ocurre cada una y qué se produce en cada fase.
Nombrá las dos grandes fases de la fotosíntesis, indicá en qué parte del cloroplasto ocurre cada una y qué se produce en cada fase.
Indicá qué dos productos de la fase luminosa utiliza el ciclo de Calvin y para qué los emplea en la síntesis de glúcidos.
Indicá qué dos productos de la fase luminosa utiliza el ciclo de Calvin y para qué los emplea en la síntesis de glúcidos.
Explicá qué es la fotólisis del agua, en qué fase y lugar del cloroplasto ocurre, y cuál es el destino de los electrones, de los protones y del oxígeno que se generan.
Explicá qué es la fotólisis del agua, en qué fase y lugar del cloroplasto ocurre, y cuál es el destino de los electrones, de los protones y del oxígeno que se generan.
El oxígeno y la historia de la Tierra
Casi todo el $O_2$ de la atmósfera proviene de la fotosíntesis oxigénica, y ese $O_2$ sale del agua (fotólisis). Las primeras cianobacterias que la realizaron, hace más de 2.000 millones de años, empezaron a llenar de oxígeno océanos y atmósfera, que antes casi no lo tenían.
Ese cambio fue un hito: permitió la respiración aeróbica, mucho más eficiente en energía, y la formación de la capa de ozono, que protege de la radiación ultravioleta. Sin embargo, para muchos organismos anaerobios de la época el oxígeno era tóxico.
Casi todo el oxígeno de la atmósfera procede de la fotosíntesis. Explicá de qué molécula se libera ese $\text{O}2$ y razoná por qué la aparición de la fotosíntesis…
Casi todo el oxígeno de la atmósfera procede de la fotosíntesis. Explicá de qué molécula se libera ese $\text{O}_2$ y razoná por qué la aparición de la fotosíntesis oxigénica fue un hito en la historia de la Tierra.
Factores que modifican la velocidad
La velocidad de la fotosíntesis se mide por el $O_2$ liberado o el $CO_2$ consumido. Depende de varios factores:
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Intensidad de la luz: más luz, más fotosíntesis, hasta que la curva se aplana (saturación).
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Concentración de $CO_2$: más $CO_2$ disponible, más fijación, hasta saturar.
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Temperatura: hasta un óptimo sube la velocidad; más allá, las enzimas (como la RuBisCO) se desnaturalizan y baja.
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Disponibilidad de agua: si falta, la planta cierra los estomas y el $CO_2$ no entra.
Nombrá tres factores ambientales que influyan en la velocidad de la fotosíntesis y explicá brevemente cómo actúa uno de ellos.
Nombrá tres factores ambientales que influyan en la velocidad de la fotosíntesis y explicá brevemente cómo actúa uno de ellos.
En los invernaderos se enriquece el aire con $\text{CO}2$ y se suplementa con luz artificial. a) Razoná, a partir del concepto de factor limitante, por qué estas medidas…
En los invernaderos se enriquece el aire con $\text{CO}_2$ y se suplementa con luz artificial. a) Razoná, a partir del concepto de factor limitante, por qué estas medidas solo aumentan la cosecha hasta cierto punto. b) Indicá qué factor podría pasar a ser limitante después de aplicarlas. c) Explicá por qué elevar demasiado la temperatura puede reducir la producción aunque haya luz y $\text{CO}_2$ abundantes.
La quimiosíntesis
Existen organismos autótrofos que no usan la luz: los quimioautótrofos (bacterias) fabrican materia orgánica a partir de $CO_2$ con la energía liberada al oxidar compuestos inorgánicos.
| Fotosíntesis | Quimiosíntesis | |
|---|---|---|
| Fuente de carbono | $CO_2$ | $CO_2$ |
| Fuente de energía | Luz | Oxidación de compuestos inorgánicos |
| Organismos | Plantas, algas, cianobacterias | Bacterias nitrificantes, sulfooxidantes |
| Libera $O_2$ | Sí (oxigénica) | No |
Las bacterias nitrificantes del suelo oxidan el amonio a nitrito y este a nitrato, y así dejan nitrógeno aprovechable para las plantas de la pampa. Las sulfooxidantes oxidan el sulfuro de hidrógeno y sostienen ecosistemas de las profundidades marinas sin luz.
Caso de análisis
En un laboratorio se aíslan dos cultivos autótrofos, A y B. En oscuridad, con $NH_4^+$ y $O_2$, solo A crece e incorpora carbono marcado. Con luz y sin donantes inorgánicos reducidos, solo B crece. Si se piensa en la fuente de energía de cada uno, A es quimiosintético (oxida amonio) y B es fotosintético. Para clasificar un autótrofo, preguntate siempre: ¿de dónde saca la energía?
Orgánulos con ribosomas propios
Los cloroplastos tienen su propio ADN, circular como el de las bacterias, y ribosomas 70S de tipo bacteriano, con los que fabrican parte de sus proteínas. Los ribosomas 80S del citoplasma eucariota son distintos. Por eso un antibiótico como el cloranfenicol (bloquea ribosomas 70S) frena la síntesis de proteínas dentro del cloroplasto, pero no en el citoplasma; la cicloheximida (bloquea ribosomas 80S) actúa al revés.
Estas características apoyan la teoría endosimbiótica: los cloroplastos derivarían de cianobacterias que quedaron viviendo dentro de una célula eucariota ancestral. Un orgánulo fotosintético con ADN circular y ribosomas 70S, afín a las cianobacterias, tiene ese origen.
En un laboratorio se aíslan dos cultivos de microorganismos autótrofos desconocidos (A y B) capaces de fijar $^{14}\text{CO}2$ en medio mineral. Al someterlos a…
En un laboratorio se aíslan dos cultivos de microorganismos autótrofos desconocidos (A y B) capaces de fijar $^{14}\text{CO}_2$ en medio mineral. Al someterlos a distintas condiciones experimentales, se obtienen los siguientes datos:
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En oscuridad absoluta y en presencia de $\text{NH}_4^+$ y $\text{O}_2$, solo el cultivo A prolifera e incorpora $^{14}\text{C}$ a su biomasa orgánica.
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En presencia de luz y en ausencia de donantes inorgánicos reducidos (salvo $\text{H}_2\text{O}$), prolifera el cultivo B, pero el cultivo A no muestra crecimiento.
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Si se elimina el $\text{O}_2$ del medio en oscuridad, el cultivo A detiene totalmente la fijación de $^{14}\text{CO}_2$, a pesar de disponer de abundante $\text{NH}_4^+$.
- a) Deducí el tipo de metabolismo autótrofo de cada cultivo (quimiosíntesis o fotosíntesis), identificando en cada caso la fuente primaria de energía, la fuente de carbono y el donante de electrones.
- b) Justificá por qué el cultivo A es estrictamente dependiente de $\text{O}_2$ para sintetizar materia orgánica a partir de $\text{CO}_2$, explicando el papel de la cadena de transporte electrónico en este proceso.
- c) Compará la fotosíntesis oxigénica y la quimiosíntesis nitrificante respecto al tipo de células y taxones biológicos que las llevan a cabo.
Se analiza en el laboratorio una especie de ameba fotosintética que posee orgánulos fotosintéticos denominados cromatóforos. Los ensayos experimentales revelan lo…
Se analiza en el laboratorio una especie de ameba fotosintética que posee orgánulos fotosintéticos denominados cromatóforos. Los ensayos experimentales revelan lo siguiente:
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El cloranfenicol (un antibiótico que bloquea la traducción en ribosomas 70S bacterianos) detiene la síntesis proteica dentro del cromatóforo, mientras que la cicloheximida (que bloquea ribosomas 80S eucariotas) solo inhibe la traducción en el citoplasma de la ameba.
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La secuenciación del ADN del cromatóforo demuestra que es circular y filogenéticamente mucho más afín a las cianobacterias actuales que al núcleo de la propia ameba.
- a) Interpretá estos resultados a la luz de la teoría endosimbiótica y deducí qué ventajas selectivas mutuas permitieron consolidar esta asociación en la evolución de los primeros eucariotas fotosintéticos.
- b) Un estudiante afirma que la aparición de las primeras cianobacterias con fotosíntesis oxigénica provocó la oxigenación inmediata y masiva de la atmósfera primitiva. Rebatí su afirmación explicando qué proceso geoquímico ocurrió en la hidrosfera antes de que el $\text{O}_2$ pudiera acumularse libre en la atmósfera y qué consecuencia biológica tuvo esta crisis de oxígeno para los organismos anaerobios preexistentes.