Actividad enzimática en la fotosíntesis

La fotosíntesis se puede etiquetar de manera defendible como la reacción más importante de toda la biología. Examine cualquier red alimentaria o sistema de flujo de energía en el mundo, y encontrará que, en última instancia, depende de la energía del sol para las sustancias que sustentan a los organismos allí. Los animales dependen tanto de los nutrientes basados ​​en carbono (carbohidratos) como del oxígeno que genera la fotosíntesis, porque incluso los animales que obtienen todo su alimento al alimentarse de otros animales, terminan comiendo organismos de los que ellos mismos viven mayoritaria o exclusivamente de plantas.

De la fotosíntesis fluyen así todos los demás procesos de intercambio de energía observados en la naturaleza. Al igual que la glucólisis y las reacciones de la respiración celular, la fotosíntesis tiene una serie de pasos, enzimas y aspectos únicos a considerar y comprender los Los roles que desempeñan los catalizadores específicos de la fotosíntesis en lo que equivale a la conversión de luz y gas en alimentos es fundamental para dominar los conocimientos básicos. bioquímica.

La fotosíntesis tuvo algo que ver con la producción de lo último que comiste, sea lo que sea. Si se basaba en plantas, la afirmación es sencilla. Si se trataba de una hamburguesa, es casi seguro que la carne procedía de un animal que en sí mismo subsistía casi exclusivamente de plantas. Visto de otra manera, si el sol se apagara hoy sin hacer que el mundo se enfríe, lo que provocaría que las plantas escaseen, el suministro mundial de alimentos desaparecería pronto; las plantas, que claramente no son depredadores, se encuentran en la base de cualquier cadena alimentaria.

La fotosíntesis se divide tradicionalmente en reacciones a la luz y reacciones a la oscuridad. Ambas reacciones en la fotosíntesis juegan papeles críticos; los primeros dependen de la presencia de la luz solar u otra energía luminosa, mientras que los segundos no dependen de los productos de la reacción luminosa para tener un sustrato con el que trabajar. En las reacciones de luz, se forman las moléculas de energía que la planta necesita para ensamblar los carbohidratos, mientras que la síntesis de carbohidratos en sí ocurre las reacciones oscuras. Esto es similar en algunos aspectos a la respiración aeróbica, donde el ciclo de Krebs, aunque no es una fuente directa importante de ATP (trifosfato de adenosina, la "moneda de energía" de todas las células), genera una gran cantidad de moléculas intermedias que impulsan la creación de una gran cantidad de ATP en la cadena de transporte de electrones posterior reacciones.

El elemento crítico en las plantas que les permite realizar la fotosíntesis es clorofila, una sustancia que se encuentra en estructuras únicas llamadas cloroplastos.

La reacción neta de la fotosíntesis es realmente muy simple. Se afirma que El dióxido de carbono y el agua, en presencia de energía luminosa, se convierten en glucosa y oxígeno durante el proceso..

6 CO₂ + luz + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

La reacción general es una suma de los reacciones de luz y el reacciones oscuras de la fotosíntesis:

Reacciones a la luz:12 H₂O + luz → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Reacciones oscuras:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

En resumen, las reacciones a la luz utilizan la luz solar para asustar a los electrones que luego la planta canaliza para producir alimentos (glucosa). Cómo ocurre esto en la práctica ha sido bien estudiado y es un testimonio de miles de millones de años de evolución biológica.

Un error común entre las personas que estudian las ciencias de la vida es que la fotosíntesis es simplemente la respiración celular a la inversa. Esto es comprensible, dado que la reacción neta de la fotosíntesis se parece a la respiración celular, comenzando con glucólisis y terminando con los procesos aeróbicos (ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones) en las mitocondrias, que se ejecutan precisamente en contrarrestar.

Sin embargo, las reacciones que transforman el dióxido de carbono en glucosa en la fotosíntesis son muy diferentes de las que se utilizan para reducir la glucosa a dióxido de carbono en la respiración celular. Las plantas, tenga en cuenta, también hacen uso de la respiración celular. Los cloroplastos no son "las mitocondrias de las plantas"; las plantas también tienen mitocondrias.

Piense en la fotosíntesis como algo que ocurre principalmente porque las plantas no tienen boca, pero aún dependen de la quema de glucosa como nutriente para producir su propio combustible. Si las plantas no pueden ingerir glucosa y aún así necesitan un suministro constante de ella, entonces tienen que hacer lo aparentemente imposible y hacerlo ellas mismas. ¿Cómo se alimentan las plantas? Usan luz externa para impulsar pequeñas plantas de energía dentro de ellos para hacerlo. Que puedan hacerlo depende en gran medida de cómo estén realmente estructurados.

Las estructuras que tienen mucha superficie en relación con su masa están bien posicionadas para capturar gran parte de la luz solar que pasa por su camino. Por eso las plantas tienen hojas. El hecho de que las hojas tienden a ser la parte más verde de las plantas es el resultado de la densidad de clorofila en las hojas, ya que aquí es donde se realiza el trabajo de fotosíntesis.

Las hojas han desarrollado poros en sus superficies llamados estomas (singular: estoma). Estas aberturas son los medios por los cuales la hoja puede controlar la entrada y salida de CO₂, que se necesita para la fotosíntesis, y O₂, que es un producto de desecho del proceso. (Es contradictorio pensar en el oxígeno como un desperdicio, pero en este contexto, estrictamente hablando, eso es lo que es).

Estos estomas también ayudan a la hoja a regular su contenido de agua. Cuando el agua es abundante, las hojas están más rígidas y "infladas" y los estomas tienden a permanecer cerrados. Por el contrario, cuando el agua escasea, los estomas se abren en un esfuerzo por ayudar a la hoja a nutrirse.

Las células vegetales son células eucariotas, lo que significa que tienen las cuatro estructuras comunes a todas las células (ADN, una membrana celular, citoplasma y ribosomas) y varios orgánulos especializados. Sin embargo, las células vegetales, a diferencia de las células animales y otras células eucariotas, tienen paredes celulares, como las tienen las bacterias, pero construidas con diferentes productos químicos.

Las células vegetales también tienen núcleos, y sus orgánulos incluyen las mitocondrias, el retículo endoplásmico, los cuerpos de Golgi, un citoesqueleto y vacuolas. Pero la diferencia fundamental entre las células vegetales y otras células eucariotas es que las células vegetales contienen cloroplastos.

Dentro de las células vegetales hay orgánulos llamados cloroplastos. Al igual que las mitocondrias, se cree que se han incorporado a organismos eucariotas relativamente temprano en la evolución de eucariotas, con la entidad destinada a convertirse en un cloroplasto que luego existe como una fotosíntesis independiente que realiza procariota.

El cloroplasto, como todos los orgánulos, está rodeado por una doble membrana plasmática. Dentro de esta membrana está el estroma, que funciona como el citoplasma de los cloroplastos. También dentro de los cloroplastos hay cuerpos llamados tilacoides, que están dispuestos como pilas de monedas y encerrados por una membrana propia.

La clorofila se considera "el" pigmento de la fotosíntesis, pero hay varios tipos diferentes de clorofila, y otros pigmentos además de la clorofila también participan en la fotosíntesis. El principal pigmento utilizado en la fotosíntesis es la clorofila A. Algunos pigmentos sin clorofila que participan en los procesos fotosintéticos son de color rojo, marrón o azul.

Las reacciones lumínicas de la fotosíntesis utilizan energía luminosa para desplazar los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua, con estos átomos de hidrógeno, alimentados por la flujo de electrones finalmente liberados por la luz entrante, que se utilizan para sintetizar NADPH y ATP, que son necesarios para la oscuridad posterior reacciones.

Las reacciones de luz ocurren en la membrana tilacoide, dentro del cloroplasto, dentro de la célula vegetal. Se ponen en marcha cuando la luz incide en un complejo de proteína-clorofila llamado fotosistema II (PSII). Esta enzima es la que libera los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua. El oxígeno en el agua se libera y los electrones liberados en el proceso se unen a una molécula llamada plastoquinol, convirtiéndola en plastoquinona. Esta molécula, a su vez, transfiere los electrones a un complejo enzimático llamado citocromo b6f. Este ctyb6f toma los electrones de la plastoquinona y los mueve a la plastocianina.

En este punto, fotosistema I (PSI) se pone en el trabajo. Esta enzima toma los electrones de la plastocianina y los une a un compuesto que contiene hierro llamado ferredoxina. Finalmente, una enzima llamada ferredoxina-NADP⁺reductasa (FNR) para producir NADPH a partir de NADP⁺. No es necesario que memorice todos estos compuestos, pero es importante tener una idea de la naturaleza en cascada, de "transferencia" de las reacciones involucradas.

Además, cuando el PSII está liberando hidrógeno del agua para impulsar las reacciones anteriores, parte de ese hidrógeno tiende a querer dejar el tilacoide para el estroma, en su gradiente de concentración. La membrana tilacoide aprovecha este flujo de salida natural usándolo para impulsar una bomba de ATP sintasa en la membrana, que une las moléculas de fosfato al ADP (difosfato de adenosina) para producir ATP.

Las reacciones oscuras de la fotosíntesis se denominan así porque no dependen de la luz. Sin embargo, pueden ocurrir cuando hay luz, por lo que un nombre más preciso, aunque más engorroso, es "reacciones independientes de la luz. "Para aclarar aún más las cosas, las reacciones oscuras se conocen juntas también como la ciclo de Calvin.

Imagínese que, al inhalar aire hacia los pulmones, el dióxido de carbono de ese aire podría llegar a sus pulmones. células, que luego lo usarían para producir la misma sustancia que resulta de que su cuerpo descomponga los alimentos que comer. De hecho, debido a esto, nunca tendrías que comer nada. Esta es esencialmente la vida de una planta, que usa el CO₂ se recolecta del medio ambiente (que se encuentra allí en gran parte como resultado de los procesos metabólicos de otros eucariotas) para producir glucosa, que luego almacena o quema para sus propias necesidades.

Ya ha visto que la fotosíntesis comienza al eliminar los átomos de hidrógeno del agua y usar la energía de esos átomos para producir algo de NADPH y algo de ATP. Pero hasta ahora, no se ha mencionado la otra entrada en la fotosíntesis, el CO2. Ahora verá por qué todo ese NADPH y ATP se cosechó en primer lugar.

En el primer paso de las reacciones oscuras, el CO2 se une a un derivado de azúcar de cinco carbonos llamado ribulosa 1,5-bisfosfato. Esta reacción es catalizada por la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa / oxigenasa, mucho más conocida como Rubisco. Se cree que esta enzima es la proteína más abundante del mundo, dado que está presente en todas las plantas que se someten a la fotosíntesis.

Este intermedio de seis carbonos es inestable y se divide en un par de moléculas de tres carbonos llamadas fosfoglicerato. Estos luego son fosforilados por una enzima quinasa para formar 1,3-bisfosfoglicerato. Esta molécula luego se convierte en gliceraldehído-3-fosfato (G3P), liberando moléculas de fosfato y consumiendo NAPDH derivado de las reacciones de luz.

El G3P creado en estas reacciones se puede colocar en varias vías diferentes, lo que resulta en la formación de glucosa, aminoácidos o lípidos, según las necesidades específicas de la planta células. Las plantas también sintetizan polímeros de glucosa que en la dieta humana aportan almidón y fibra.