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El metabolismo · El metabolismo celular

La fotosíntesis y la quimiosíntesis

Camina por el Parque Nacional Soberanía y verás árboles enormes que crecieron desde una semilla diminuta. Toda esa madera y todo el oxígeno que respiras en el sendero salen de tres ingredientes: luz, agua y dióxido de carbono. ¿Cómo logra una hoja convertirlos en materia viva, y de dónde sale exactamente el oxígeno?

La ecuación global y el origen del oxígeno

La fotosíntesis transforma la energía luminosa en energía química almacenada en moléculas orgánicas. Es la puerta por la que entra al planeta casi toda la energía que usan los seres vivos.

$$6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{luz}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$$

Es una reacción de óxido-reducción. El agua se oxida: pierde electrones y se libera $\text{O}_2$. El $\text{CO}_2$ se reduce: gana electrones e hidrógenos y se convierte en glucosa. La luz aporta la energía para que esa transferencia «cuesta arriba» ocurra.

Hace unos 2,500 millones de años, las cianobacterias empezaron a hacer fotosíntesis oxigénica. Así el $\text{O}_2$ se acumuló poco a poco en la atmósfera. Eso permitió la respiración aerobia, que rinde mucha más energía, y la formación de la capa de ozono. Fue un hito porque cambió la química del planeta y abrió el camino a los organismos complejos.

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Escribe la ecuación global de la fotosíntesis oxigénica e indica qué molécula se oxida y cuál se reduce en el proceso.

Escribe la ecuación global de la fotosíntesis oxigénica e indica qué molécula se oxida y cuál se reduce en el proceso.

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Casi todo el oxígeno de la atmósfera procede de la fotosíntesis. Explica de qué molécula se libera ese $\text{O}2$ y razona por qué la aparición de la fotosíntesis…

Casi todo el oxígeno de la atmósfera procede de la fotosíntesis. Explica de qué molécula se libera ese $\text{O}_2$ y razona por qué la aparición de la fotosíntesis oxigénica fue un hito en la historia de la Tierra.

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El cloroplasto y los pigmentos

La fotosíntesis ocurre en los cloroplastos, orgánulos de las células vegetales y de las algas. Tienen una doble membrana y, dentro, un líquido llamado estroma. En el estroma flotan sacos aplanados, los tilacoides, que se apilan como monedas formando los granos (o grana).

Esquema de un cloroplasto con doble membrana, estroma, tilacoides apilados en granos y el interior del tilacoide doble membrana estroma grano (pila de tilacoides) tilacoide (saco)

Los pigmentos fotosintéticos captan la luz. El principal es la clorofila a, y la acompañan la clorofila b y los carotenoides. Todos están incrustados en las membranas de los tilacoides. La clorofila absorbe sobre todo la luz violeta-azul (hacia 430-450 nm) y la roja (hacia 660-680 nm) y refleja la verde, por eso las hojas se ven verdes.

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¿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?

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¿Qué son los tilacoides y qué son los granos? Explica 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? Explica por qué las membranas de los tilacoides son el lugar adecuado para la fase luminosa de la fotosíntesis.

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En el esquema de un cloroplasto se señalan dos estructuras con los números 1 y 2. Identifícalas y explica qué procesos fotosintéticos ocurren en cada una,…

En el esquema de un cloroplasto se señalan dos estructuras con los números 1 y 2. Identifícalas y explica qué procesos fotosintéticos ocurren en cada una, relacionándolos con las flechas de entrada y salida que aparecen en el esquema.

1 2 luz O₂ CO₂
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Las dos fases de la fotosíntesis

La fotosíntesis se divide en dos fases que dependen una de la otra.

Diagrama de flujo: la luz entra en la fase luminosa de los tilacoides, que produce ATP, NADPH y O₂; el ciclo de Calvin en el estroma los usa con CO₂ para fabricar glucosa luz H₂O Fase luminosa (tilacoides) ATP NADPH Fase oscura (ciclo de Calvin) glucosa sale O₂ entra CO₂ (estroma)
Fase luminosa Fase oscura (ciclo de Calvin)
Lugar Membranas de los tilacoides Estroma
Entra Luz y $\text{H}_2\text{O}$ $\text{CO}_2$, ATP y NADPH
Sale $\text{O}_2$, ATP y NADPH PGAL (gliceraldehído-3-fosfato), de donde se forma glucosa

Fotosíntesis y respiración se complementan. La fotosíntesis fabrica glucosa y $\text{O}_2$ a partir de $\text{CO}_2$ y $\text{H}_2\text{O}$ y almacena energía. La respiración celular hace el camino inverso, libera esa energía como ATP y devuelve $\text{CO}_2$ y $\text{H}_2\text{O}$. Juntas mantienen el flujo de materia y energía que sostiene la continuidad de la vida.

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Nombra las dos grandes fases de la fotosíntesis, indica en qué parte del cloroplasto ocurre cada una y qué se produce en cada fase.

Nombra las dos grandes fases de la fotosíntesis, indica en qué parte del cloroplasto ocurre cada una y qué se produce en cada fase.

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La fase luminosa: fotosistemas, fotólisis y ATP

Un fotosistema es un complejo de proteínas y pigmentos de la membrana del tilacoide. Su centro de reacción contiene una molécula especial de clorofila a. Cuando absorbe luz, un electrón de esa clorofila se excita (sube a un nivel de más energía) y es cedido a una cadena de transporte. Hay dos fotosistemas, el II y el I.

Flujo de electrones: el agua cede electrones al fotosistema II, pasan por una cadena de transporte al fotosistema I y llegan al NADP+ formando NADPH membrana del tilacoide fotosistema II luz cadena de transporte fotosistema I luz NADP⁺ → NADPH H₂O → O₂ + e⁻ + H⁺

Al ceder electrones, el fotosistema II queda «con un hueco». Lo repone con la fotólisis del agua: la luz rompe moléculas de agua en la cara interna de la membrana del tilacoide.

$$2\,\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{luz}} 4\,\text{H}^+ + 4\,e^- + \text{O}_2$$

Los electrones reponen al fotosistema II y siguen por la cadena hasta el fotosistema I, que los reexcita con otra dosis de luz y los entrega al $\text{NADP}^+$, que se reduce a NADPH. Los protones se acumulan dentro del tilacoide. El oxígeno sale de la célula como subproducto.

El transporte de electrones además bombea protones al interior del tilacoide. Ese gradiente empuja a los protones de vuelta al estroma a través de la ATP sintasa, que fabrica ATP (fotofosforilación). Es el mismo principio que en la mitocondria, pero aquí los electrones vienen del agua y terminan en el $\text{NADP}^+$.

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¿Qué es un fotosistema y qué contiene en su centro de reacción? Explica qué le ocurre a la clorofila cuando absorbe la energía de la luz.

¿Qué es un fotosistema y qué contiene en su centro de reacción? Explica qué le ocurre a la clorofila cuando absorbe la energía de la luz.

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Explica 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.

Explica 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.

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Un investigador ilumina cloroplastos aislados y añade un herbicida que bloquea el flujo de electrones a la salida del fotosistema II. Predice, razonándolo, qué ocurrirá…

Un investigador ilumina cloroplastos aislados y añade un herbicida que bloquea el flujo de electrones a la salida del fotosistema II. Predice, razonándolo, qué ocurrirá con la producción de $\text{O}_2$, de ATP y de NADPH, y explica por qué la planta tratada con ese herbicida acaba muriendo aunque reciba luz y $\text{CO}_2$.

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La fase oscura: el ciclo de Calvin

En el estroma, el $\text{CO}_2$ se une a una molécula de cinco carbonos, la ribulosa-1.5-bisfosfato (RuBP). Esa unión es la fijación del $\text{CO}_2$: pasar el carbono inorgánico a una molécula orgánica. La enzima que la cataliza es la RuBisCO. Se forman compuestos de tres carbonos que se reducen con el ATP y el NADPH de la fase luminosa y dan PGAL (gliceraldehído-3-fosfato). La mayor parte del PGAL regenera la RuBP, y el resto sirve para sintetizar glucosa y otros glúcidos.

Esquema del ciclo de Calvin: CO₂ y RuBP dan compuestos de tres carbonos que, con ATP y NADPH, forman PGAL; parte del PGAL regenera la RuBP y parte sale para formar glucosa RuBP (5 C) compuestos de 3 C PGAL (3 C) + CO₂ (RuBisCO) ATP + NADPH regenera RuBP una parte sale: glucosa
Practica★☆☆Sin empezar
Indica qué dos productos de la fase luminosa utiliza el ciclo de Calvin y para qué los emplea en la síntesis de glúcidos.

Indica qué dos productos de la fase luminosa utiliza el ciclo de Calvin y para qué los emplea en la síntesis de glúcidos.

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Practica★★☆Sin empezar
En el ciclo de Calvin se «fija» el $\text{CO}2$ en el estroma. Explica qué significa fijar el $\text{CO}2$, qué enzima cataliza esa fijación y de dónde proceden el ATP y…

En el ciclo de Calvin se «fija» el $\text{CO}_2$ en el estroma. Explica qué significa fijar el $\text{CO}_2$, qué enzima cataliza esa fijación y de dónde proceden el ATP y el NADPH que consume el ciclo.

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Factores que limitan la fotosíntesis

La velocidad de la fotosíntesis depende de la intensidad de la luz, la concentración de $\text{CO}_2$, la temperatura y la disponibilidad de agua. Funciona la idea del factor limitante: la velocidad la fija el factor que está más escaso. Aumentar otro factor no sirve de nada hasta que se resuelva ese.

Gráfica de la velocidad de fotosíntesis frente a la intensidad de luz: sube y se estabiliza en una meseta cuando otro factor pasa a ser limitante intensidad de luz velocidad de fotosíntesis la luz limita otro factor limita (CO₂, temperatura…)

Por ejemplo, un cultivo en invernadero en Boquete recibe luz abundante, pero si el aire tiene poco $\text{CO}_2$, ese será el factor limitante. Al enriquecer el aire con $\text{CO}_2$, la velocidad sube hasta que otro factor, como el agua, la temperatura o los nutrientes, pasa a ser el límite.

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Nombra tres factores ambientales que influyan en la velocidad de la fotosíntesis y explica brevemente cómo actúa uno de ellos.

Nombra tres factores ambientales que influyan en la velocidad de la fotosíntesis y explica brevemente cómo actúa uno de ellos.

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En los invernaderos se enriquece el aire con $\text{CO}2$ y se suplementa con luz artificial. a) Razona, 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) Razona, a partir del concepto de factor limitante, por qué estas medidas solo aumentan la cosecha hasta cierto punto. b) Indica qué factor podría pasar a ser limitante después de aplicarlas. c) Explica por qué elevar demasiado la temperatura puede reducir la producción aunque haya luz y $\text{CO}_2$ abundantes.

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La quimiosíntesis

No todos los autótrofos usan la luz. Las bacterias quimiosintéticas fabrican materia orgánica a partir de $\text{CO}_2$ con la energía que liberan al oxidar compuestos inorgánicos (amonio, sulfuro de hidrógeno, hierro ferroso). Se encuentran en el suelo y en ambientes extremos, como las fuentes hidrotermales de las profundidades marinas, donde no llega la luz.

Vuelve al principio: la madera del árbol viene del $\text{CO}_2$ y del agua, fijados con la energía de la luz, y el oxígeno del sendero viene de romper el agua en los tilacoides.

Resumen

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