Sin la serie de reacciones químicas conocidas colectivamente como fotosíntesis, usted no estaría aquí ni nadie más que conozca. Esto podría parecerle una afirmación extraña si sabe que la fotosíntesis es exclusiva de las plantas y algunos microorganismos. y que ni una sola célula de su cuerpo ni la de ningún animal tiene el aparato para llevar a cabo esta elegante variedad de reacciones. ¿Lo que da?
En pocas palabras, la vida vegetal y la vida animal son casi perfectamente simbióticas, lo que significa que la forma en que las plantas satisfacen sus necesidades metabólicas es de supremo beneficio para los animales y viceversa. En términos más simples, los animales ingieren gas oxígeno (O2) para obtener energía de fuentes de carbono no gaseosas y excretar gas dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) en el proceso, mientras que las plantas usan CO2 y H2O para hacer comida y soltar O2 para el medio ambiente. Además, alrededor del 87 por ciento de la energía mundial se deriva actualmente de la quema de combustibles fósiles, que en última instancia también son productos de la fotosíntesis.
A veces se dice que "la fotosíntesis es para las plantas lo que la respiración es para los animales", pero esta es una analogía defectuosa porque las plantas usan ambos, mientras que los animales solo usan la respiración. Piense en la fotosíntesis como la forma en que las plantas consumen y digieren el carbono, confiando en la luz en lugar de la locomoción y el acto de comer para poner el carbono en una forma que las diminutas máquinas celulares pueden utilizar.
Una descripción general rápida de la fotosíntesis
La fotosíntesis, a pesar de no ser utilizada directamente por una fracción significativa de los seres vivos, puede ser razonablemente visto como el único proceso químico responsable de asegurar la existencia continua de vida en Tierra misma. Las células fotosintéticas toman CO2 y H2O recogido por el organismo del medio ambiente y utilizar la energía de la luz solar para impulsar la síntesis de glucosa (C6H12O6), liberando O2 como producto de desecho. Esta glucosa luego es procesada por diferentes células de la planta de la misma manera que la glucosa es utilizada por los animales. células: se somete a respiración para liberar energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP) y libera CO2 como producto de desecho. (El fitoplancton y las cianobacterias también hacen uso de la fotosíntesis, pero para los fines de esta discusión, los organismos que contienen células fotosintéticas se denominan genéricamente "plantas").
Los organismos que utilizan la fotosíntesis para producir glucosa se denominan autótrofos, que se traduce del griego como "autoalimentación". Es decir, las plantas no dependen directamente de otros organismos para alimentarse. Los animales, por otro lado, son heterótrofos ("otros alimentos") porque tienen que ingerir carbono de otras fuentes vivas para poder crecer y permanecer vivos.
¿Qué tipo de reacción es la fotosíntesis?
La fotosíntesis se considera una reacción redox. Redox es la abreviatura de "reducción-oxidación", que describe lo que ocurre a nivel atómico en las diversas reacciones bioquímicas. La fórmula completa y equilibrada para la serie de reacciones llamadas fotosíntesis, cuyos componentes se explorarán en breve, es:
6H2O + luz + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
Puede verificar usted mismo que el número de cada tipo de átomo es el mismo en cada lado de la flecha: seis átomos de carbono, 12 átomos de hidrógeno y 18 átomos de oxígeno.
La reducción es la eliminación de electrones de un átomo o molécula, mientras que la oxidación es la obtención de electrones. En consecuencia, los compuestos que ceden fácilmente electrones a otros compuestos se denominan agentes oxidantes, mientras que los que tienden a ganar electrones se denominan agentes reductores. Las reacciones redox generalmente implican la adición de hidrógeno al compuesto que se está reduciendo.
Las estructuras de la fotosíntesis
El primer paso en la fotosíntesis podría resumirse como "que haya luz". La luz solar incide en la superficie de las plantas y pone en marcha todo el proceso. Es posible que ya sospeche por qué muchas plantas se ven como lo hacen: una gran cantidad de superficie en forma de hojas y la ramas que los sostienen que parecen innecesarias (aunque atractivas) si no sabes por qué estos organismos están estructurados Por aquí. El "objetivo" de la planta es exponerse a la luz solar tanto como sea posible, haciendo que el más corto, el más pequeño plantas en cualquier ecosistema más bien como las semillas de una camada de animales en el sentido de que ambos luchan por obtener suficiente energía. Las hojas, como era de esperar, son extremadamente densas en células fotosintéticas.
Estas células son ricas en organismos llamados cloroplastos, que es donde se realiza el trabajo de fotosíntesis, al igual que las mitocondrias son los orgánulos en los que se produce la respiración. De hecho, los cloroplastos y las mitocondrias son estructuralmente bastante similares, un hecho que, como prácticamente todo en el mundo de la biología, puede se remonta a las maravillas de la evolución.) Los cloroplastos contienen pigmentos especializados que absorben óptimamente la energía de la luz en lugar de reflejar eso. Lo que se refleja en lugar de absorber se encuentra en un rango de longitudes de onda que el ojo humano y el cerebro interpretan como un color particular (pista: comienza con "g"). El principal pigmento utilizado para este fin se conoce como clorofila.
Los cloroplastos están rodeados por una doble membrana plasmática, como es el caso de todas las células vivas, así como de los orgánulos que contienen. En las plantas, sin embargo, existe una tercera membrana interna a la bicapa plasmática, llamada membrana tilacoide. Esta membrana se pliega muy extensamente de modo que resultan estructuras parecidas a discos apiladas una encima de la otra, no muy diferente a un paquete de mentas para el aliento. Estas estructuras tilacoides contienen clorofila. El espacio entre la membrana interna del cloroplasto y la membrana tilacoide se llama estroma.
El mecanismo de la fotosíntesis
La fotosíntesis se divide en un conjunto de reacciones dependientes de la luz e independientes de la luz, generalmente llamadas reacciones de luz y oscuridad y que se describen en detalle más adelante. Como habrás concluido, las reacciones a la luz ocurren primero.
Cuando la luz del sol golpea la clorofila y otros pigmentos dentro de los tilacoides, esencialmente se suelta. electrones y protones de los átomos en la clorofila y los eleva a un nivel de energía más alto, haciéndolos más libres para emigrar. Los electrones se desvían hacia las reacciones en cadena de transporte de electrones que se desarrollan en la propia membrana tilacoide. Aquí, los aceptores de electrones como el NADP reciben algunos de estos electrones, que también se utilizan para impulsar la síntesis de ATP. El ATP es esencialmente para las células lo que los dólares para el sistema financiero estadounidense: es "la moneda energética" con la que se llevan a cabo prácticamente todos los procesos metabólicos.
Mientras esto sucede, las moléculas de clorofila que se bañan al sol se han encontrado repentinamente con escasez de electrones. Aquí es donde el agua entra en juego y aporta electrones de reemplazo en forma de hidrógeno, reduciendo así la clorofila. Con su hidrógeno desaparecido, lo que una vez fue agua ahora es oxígeno molecular - O2. Este oxígeno se difunde fuera de la célula y fuera de la planta por completo, y parte de él ha logrado llegar a sus propios pulmones precisamente en este segundo.
¿Es la fotosíntesis endergónica?
La fotosíntesis se denomina reacción endergónica porque requiere una entrada de energía para continuar. El sol es la fuente última de toda la energía del planeta (un hecho que quizás entiendan en algún nivel los diversos culturas de la antigüedad que consideraban al sol una deidad por derecho propio) y las plantas son las primeras en interceptarlo para uso productivo. Sin esta energía, no habría forma de que el dióxido de carbono, una molécula pequeña y simple, se convierta en glucosa, una molécula considerablemente más grande y compleja. Imagínese subiendo un tramo de escaleras sin gastar energía de alguna manera, y podrá ver el problema al que se enfrentan las plantas.
En términos aritméticos, las reacciones endergónicas son aquellas en las que los productos tienen un nivel de energía más alto que los reactivos. Lo opuesto a estas reacciones, energéticamente hablando, se denomina exergónico, en el que los productos tienen menor energía que las reacciones y, por lo tanto, se libera energía durante la reacción. (Esto suele ser en forma de calor; de nuevo, ¿se calienta más o se enfría más con el ejercicio?) Esto se expresa en términos de la energía libre ΔG ° de la reacción, que para la fotosíntesis es +479 kJ ⋅ mol-1 o 479 julios de energía por mol. El signo positivo indica una reacción endotérmica, mientras que un signo negativo indica un proceso exotérmico.
Las reacciones de luz y oscuridad de la fotosíntesis
En las reacciones de luz, el agua se descompone por la luz solar, mientras que en las reacciones de oscuridad, los protones (H+) y electrones (e−) liberados en las reacciones de luz se utilizan para ensamblar glucosa y otros carbohidratos a partir de CO2.
Las reacciones de luz vienen dadas por la fórmula:
2H2O + luz → O2 + 4H+ + 4e−(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol−1)
y las reacciones oscuras vienen dadas por:
CO2 + 4H+ + 4e− → CH2O + H2O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol−1)
En general, esto produce la ecuación completa revelada anteriormente:
H2O + luz + CO2 → CH2O + O2(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol−1)
Puede ver que ambos conjuntos de reacciones son endergónicas, las reacciones a la luz son más fuertes.
¿Qué es el acoplamiento de energía?
El acoplamiento de energía en los sistemas vivos significa utilizar la energía disponible a partir de un proceso para impulsar otros procesos que de otro modo no tendrían lugar. La sociedad en sí misma funciona de esta manera: las empresas a menudo tienen que pedir prestado grandes sumas de dinero por adelantado para salir de la tierra, pero en última instancia, algunas de estas empresas se vuelven altamente rentables y pueden poner fondos disponibles para otras empresas emergentes compañías.
La fotosíntesis representa un buen ejemplo de acoplamiento de energía, ya que la energía de la luz solar se acopla a reacciones en los cloroplastos para que las reacciones puedan desarrollarse. La planta finalmente recompensa el ciclo global del carbono al sintetizar glucosa y otros compuestos de carbono que pueden acoplarse a otras reacciones, inmediatamente o en el futuro. Por ejemplo, las plantas de trigo producen almidón, que se utiliza en todo el mundo como fuente principal de alimentos para los seres humanos y otros animales. Pero no toda la glucosa producida por las plantas se almacena; parte de ella procede a diferentes partes de las células vegetales, donde la energía liberada en la glucólisis se acopla finalmente a reacciones en las mitocondrias de la planta que dan como resultado la formación de ATP. Si bien las plantas representan la parte inferior de la cadena alimentaria y se las considera como energía pasiva y oxígeno. donantes, tienen sus propias necesidades metabólicas, teniendo que crecer y reproducirse como otros organismos.
¿Por qué no se pueden cambiar los subíndices?
Además, los estudiantes a menudo tienen problemas para aprender a equilibrar las reacciones químicas si no se proporcionan de forma equilibrada. Como resultado, en sus retoques, los estudiantes pueden verse tentados a cambiar los valores de los subíndices en las moléculas de la reacción para lograr un resultado equilibrado. Esta confusión puede deberse a saber que está permitido cambiar los números delante de las moléculas para equilibrar las reacciones. Cambiar el subíndice de cualquier molécula convierte esa molécula en una molécula completamente diferente. Por ejemplo, cambiando O2 también3 no agrega simplemente un 50 por ciento más de oxígeno en términos de masa; convierte el oxígeno gaseoso en ozono, que no participaría en la reacción en estudio de una manera remotamente similar.