El ciclo de calvin

Después de que la energía del sol se convierte y se empaqueta en ATP y NADPH, la célula tiene el combustible necesario para construir alimentos en forma de moléculas de carbohidratos. Las moléculas de carbohidratos hechas tendrán una columna vertebral de átomos de carbono. ¿De dónde viene el carbono? Los átomos de carbono utilizados para construir moléculas de carbohidratos provienen del dióxido de carbono, el gas que los animales exhalan con cada respiración. El ciclo de Calvin es el término utilizado para las reacciones de la fotosíntesis que utilizan la energía almacenada por las reacciones dependientes de la luz para formar glucosa y otras moléculas de carbohidratos.

El interfuncionamiento del ciclo de Calvin

En las plantas, el dióxido de carbono (CO₂) ingresa al cloroplasto a través de los estomas y se difunde en el estroma del cloroplasto, el sitio de las reacciones del ciclo de Calvin donde se sintetiza el azúcar. Las reacciones llevan el nombre del científico que las descubrió y hacen referencia al hecho de que las reacciones funcionan como un ciclo. Otros lo llaman el ciclo de Calvin-Benson para incluir el nombre de otro científico involucrado en su descubrimiento.

Las reacciones dependientes de la luz aprovechan la energía del sol para producir ATP y NADPH. Estas moléculas transportadoras de energía viajan al estroma donde tienen lugar las reacciones del ciclo de Calvin.

Las reacciones del ciclo de Calvin se pueden organizar en tres etapas básicas: fijación, reducción y regeneración. En el estroma, además del CO₂, están presentes otros dos productos químicos para iniciar el ciclo de Calvin: una enzima abreviada RuBisCO y la molécula ribulosa bisfosfato (RuBP). RuBP tiene cinco átomos de carbono y un grupo fosfato en cada extremo.

RuBisCO cataliza una reacción entre CO2 y RuBP, que forma un compuesto de seis carbonos que se convierte inmediatamente en dos compuestos de tres carbonos. Este proceso se llama fijación de carbono, porque el CO₂ está "fijado" de su forma inorgánica a moléculas orgánicas.

ATP y NADPH usan su energía almacenada para convertir el compuesto de tres carbonos, 3-PGA, en otro compuesto de tres carbonos llamado G3P. Este tipo de reacción se llama reacción de reducción, porque implica la ganancia de electrones. Una reducción es la ganancia de un electrón por un átomo o molécula. Las moléculas de ADP y NAD⁺, resultantes de la reacción de reducción, regresan a las reacciones dependientes de la luz para ser energizadas nuevamente.

Una de las moléculas G3P abandona el ciclo de Calvin para contribuir a la formación de la molécula de carbohidrato, que comúnmente es glucosa (C₆H₁₂O₆). Debido a que la molécula de carbohidrato tiene seis átomos de carbono, se necesitan seis vueltas del ciclo de Calvin para hacer una molécula de carbohidrato (una para cada molécula de dióxido de carbono fija). Las moléculas de G3P restantes regeneran RuBP, lo que permite que el sistema se prepare para el paso de fijación de carbono. ATP también se usa en la regeneración de RuBP.

El ciclo de Calvin tiene tres etapas. En la etapa 1, la enzima RuBisCO incorpora dióxido de carbono en una molécula orgánica. En la etapa 2, la molécula orgánica se reduce. En la etapa 3, RuBP, la molécula que comienza el ciclo, se regenera para que el ciclo pueda continuar.

En resumen, se necesitan seis vueltas del ciclo de Calvin para fijar seis átomos de carbono del CO₂. Estos seis turnos requieren el aporte de energía de 12 moléculas de ATP y 12 moléculas de NADPH en el paso de reducción y 6 moléculas de ATP en el paso de regeneración.

CONEXIÓN DE EVOLUCIÓN: Fotosíntesis

La historia evolutiva compartida de todos los organismos fotosintéticos es notable, ya que el proceso básico ha cambiado poco a lo largo de las eras del tiempo. Incluso entre las hojas tropicales gigantes en la selva tropical y las pequeñas cianobacterias, el proceso y los componentes de la fotosíntesis que usan agua como donante de electrones siguen siendo en gran medida los mismos. Los fotosistemas funcionan para absorber la luz y utilizan cadenas de transporte de electrones para convertir energía. Las reacciones del ciclo de Calvin ensamblan moléculas de carbohidratos con esta energía.

Sin embargo, como con todas las vías bioquímicas, una variedad de condiciones conduce a adaptaciones variadas que afectan el patrón básico. La fotosíntesis en plantas de clima seco ha evolucionado con adaptaciones que conservan el agua. En el duro calor seco, cada gota de agua y energía preciosa debe usarse para sobrevivir. Dos adaptaciones han evolucionado en tales plantas. En una forma, un uso más eficiente del CO₂ permite a las plantas realizar la fotosíntesis incluso cuando el CO₂ es escaso, como cuando los estomas están cerrados en los días calurosos. La otra adaptación realiza reacciones preliminares del ciclo de Calvin por la noche, porque abrir los estomas en este momento conserva el agua debido a las temperaturas más frías. Además, esta adaptación ha permitido a las plantas realizar bajos niveles de fotosíntesis sin abrir estomas, un mecanismo extremo para enfrentar períodos extremadamente secos.

Vivir en las duras condiciones del desierto ha llevado a plantas como este cactus a desarrollar variaciones en las reacciones fuera del ciclo de Calvin. Estas variaciones aumentan la eficiencia y ayudan a conservar el agua y la energía.

Fotosíntesis en procariotas

Las dos partes de la fotosíntesis, las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin, se han descrito, ya que tienen lugar en los cloroplastos. Sin embargo, los procariotas, como las cianobacterias, carecen de orgánulos unidos a la membrana. Los organismos autotróficos fotosintéticos procariotas tienen pliegues de la membrana plasmática para la fijación de la clorofila y la fotosíntesis. Es aquí donde los organismos como las cianobacterias pueden llevar a cabo la fotosíntesis.

Un procariota fotosintética tiene regiones infladas de la membrana plasmática que funcionan como tilacoides. Aunque estos no están contenidos en un orgánulo, como un cloroplasto, todos los componentes necesarios están presentes para llevar a cabo la fotosíntesis.

El ciclo de la energía

Los seres vivos acceden a la energía al descomponer las moléculas de carbohidratos. Sin embargo, si las plantas producen moléculas de carbohidratos, ¿por qué necesitarían descomponerlas? Los carbohidratos son moléculas de almacenamiento de energía en todos los seres vivos. Aunque la energía se puede almacenar en moléculas como el ATP, los carbohidratos son depósitos mucho más estables y eficientes para la energía química. Los organismos fotosintéticos también llevan a cabo las reacciones de la respiración para recolectar la energía que han almacenado en los carbohidratos, por ejemplo, las plantas tienen mitocondrias además de los cloroplastos.

Es posible que haya notado que la reacción general para la fotosíntesis:

es el reverso de la reacción general para la respiración celular:

La fotosíntesis produce oxígeno como subproducto, y la respiración produce dióxido de carbono como subproducto.

En la naturaleza, no existe el desperdicio. Cada átomo de materia se conserva, reciclando indefinidamente. Las sustancias cambian de forma o se mueven de un tipo de molécula a otra, pero nunca desaparecen.

El CO₂ no es más una forma de desecho producido por la respiración que el oxígeno es un producto de desecho de la fotosíntesis. Ambos son subproductos de reacciones que pasan a otras reacciones. La fotosíntesis absorbe energía para formar carbohidratos en los cloroplastos, y la respiración celular aeróbica libera energía al usar oxígeno para descomponer los carbohidratos. Ambos orgánulos usan cadenas de transporte de electrones para generar la energía necesaria para impulsar otras reacciones. La fotosíntesis y la respiración celular funcionan en un ciclo biológico, lo que permite a los organismos acceder a la energía que sustenta la vida que se origina a millones de millas de distancia en una estrella.

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