Las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis

¿Cómo se puede usar la luz para hacer comida? Es fácil pensar en la luz como algo que existe y permite a los organismos vivos, como los humanos, ver, pero la luz es una forma de energía. Como toda energía, la luz puede viajar, cambiar de forma y ser aprovechada para trabajar. En el caso de la fotosíntesis, la energía de la luz se transforma en energía química, que los autótrofos utilizan para formar moléculas de carbohidratos. Sin embargo, los autótrofos solo usan un componente específico de la luz solar.

Los autótrofos pueden capturar la energía de la luz del sol, convirtiéndola en energía química utilizada para construir moléculas de alimentos.

¿Qué es la energía de la luz?

El sol emite una enorme cantidad de radiación electromagnética (energía solar). Los humanos solo pueden ver una fracción de esta energía, que se conoce como "luz visible". La manera en que viaja la energía solar puede describirse y medirse como ondas. Los científicos pueden determinar la cantidad de energía de una ola midiendo su longitud de onda, la distancia entre dos puntos consecutivos y similares en una serie de ondas, como de cresta a cresta o de valle a canal.

La longitud de onda de una sola onda es la distancia entre dos puntos consecutivos a lo largo de la onda.

La luz visible constituye solo uno de los muchos tipos de radiación electromagnética emitida por el sol. El espectro electromagnético es el rango de todas las posibles longitudes de onda de radiación. Cada longitud de onda corresponde a una cantidad diferente de energía transportada.

El sol emite energía en forma de radiación electromagnética. Esta radiación existe en diferentes longitudes de onda, cada una de las cuales tiene su propia energía característica. La luz visible es un tipo de energía emitida por el sol.

Cada tipo de radiación electromagnética tiene un rango característico de longitudes de onda. Cuanto más larga es la longitud de onda (o más estirada parece), se transporta menos energía. Las olas cortas y apretadas transportan la mayor cantidad de energía. Esto puede parecer ilógico, pero piense en términos de una cuerda en movimiento. Se necesita poco esfuerzo por parte de una persona para mover una cuerda en olas largas y anchas. Para hacer que una cuerda se mueva en olas cortas y apretadas, una persona necesitaría aplicar mucha más energía.

El sol emite una amplia gama de radiación electromagnética, incluidos rayos X y rayos ultravioleta (UV). Las ondas de mayor energía son peligrosas para los seres vivos; Por ejemplo, los rayos X y los rayos UV pueden ser dañinos para los humanos.

Absorción de luz

La energía de la luz entra en el proceso de fotosíntesis cuando los pigmentos absorben la luz. En las plantas, las moléculas de pigmento absorben solo la luz visible para la fotosíntesis. La luz visible vista por los humanos como luz blanca en realidad existe en un arco iris de colores. Ciertos objetos, como un prisma o una gota de agua, dispersan la luz blanca para revelar estos colores al ojo humano. El ojo humano percibe la porción de luz visible del espectro electromagnético como un arco iris de colores, con violeta y azul con longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, mayor energía. En el otro extremo del espectro hacia el rojo, las longitudes de onda son más largas y tienen menos energía.

Comprender los pigmentos

Existen diferentes tipos de pigmentos, y cada uno absorbe solo ciertas longitudes de onda (colores) de luz visible. Los pigmentos reflejan el color de las longitudes de onda que no pueden absorber.

Todos los organismos fotosintéticos contienen un pigmento llamado clorofila a, que los humanos ven como el color verde común asociado con las plantas. La clorofila a absorbe las longitudes de onda de cualquier extremo del espectro visible (azul y rojo), pero no del verde. Como el verde se refleja, la clorofila aparece verde.

Otros tipos de pigmentos incluyen clorofila b (que absorbe la luz azul y roja-naranja) y los carotenoides. Cada tipo de pigmento puede identificarse por el patrón específico de longitudes de onda que absorbe de la luz visible, que es su espectro de absorción.

Muchos organismos fotosintéticos tienen una mezcla de pigmentos; entre ellos, el organismo puede absorber energía de una gama más amplia de longitudes de onda de luz visible. No todos los organismos fotosintéticos tienen acceso total a la luz solar. Algunos organismos crecen bajo el agua donde la intensidad de la luz disminuye con la profundidad, y el agua absorbe ciertas longitudes de onda. Otros organismos crecen en competencia por la luz. Las plantas en el suelo de la selva tropical deben poder absorber cualquier parte de la luz que ingresa, porque los árboles más altos bloquean la mayor parte de la luz solar.

Las plantas que comúnmente crecen en la sombra se benefician de tener una variedad de pigmentos que absorben la luz. Cada pigmento puede absorber diferentes longitudes de onda de luz, lo que permite que la planta absorba cualquier luz que pase a través de los árboles más altos.

Cómo funcionan las reacciones dependientes de la luz

El propósito general de las reacciones dependientes de la luz es convertir la energía de la luz en energía química. Esta energía química será utilizada por el ciclo de Calvin para alimentar el ensamblaje de las moléculas de azúcar.

Las reacciones dependientes de la luz comienzan en una agrupación de moléculas de pigmento y proteínas llamadas fotosistema. Existen fotosistemas en las membranas de los tilacoides. Una molécula de pigmento en el fotosistema absorbe un fotón, una cantidad o "paquete" de energía luminosa, a la vez.

Un fotón de energía luminosa viaja hasta que alcanza una molécula de clorofila. El fotón hace que un electrón en la clorofila se "excite". La energía dada al electrón le permite liberarse de un átomo de la molécula de clorofila. Por lo tanto, se dice que la clorofila "dona" un electrón.

Para reemplazar el electrón en la clorofila, se divide una molécula de agua. Esta división libera un electrón y da como resultado la formación de oxígeno (O₂) e iones de hidrógeno (H⁺) en el espacio tilacoideo. Técnicamente, cada ruptura de una molécula de agua libera un par de electrones y, por lo tanto, puede reemplazar dos electrones donados.

La energía de la luz es absorbida por una molécula de clorofila y se transmite a lo largo de una ruta a otras moléculas de clorofila. La energía culmina en una molécula de clorofila que se encuentra en el centro de reacción. La energía "excita" uno de sus electrones lo suficiente como para abandonar la molécula y ser transferida a un receptor de electrones primario cercano. Una molécula de agua se divide para liberar un electrón, que es necesario para reemplazar el donado. Los iones de oxígeno e hidrógeno también se forman a partir de la división del agua.

La sustitución del electrón permite que la clorofila responda a otro fotón. Las moléculas de oxígeno producidas como subproductos encuentran su camino hacia el medio ambiente circundante. Los iones de hidrógeno juegan papeles críticos en el resto de las reacciones dependientes de la luz.

Tenga en cuenta que el propósito de las reacciones dependientes de la luz es convertir la energía solar en portadores químicos que se utilizarán en el ciclo de Calvin. En eucariotas y algunos procariotas, existen dos fotosistemas. El primero se llama fotosistema II, que fue nombrado por el orden de su descubrimiento más que por el orden de la función.

Después de que el fotón impacta, el fotosistema II transfiere el electrón libre al primero de una serie de proteínas dentro de la membrana tilacoidea llamada cadena de transporte de electrones. A medida que el electrón pasa a través de estas proteínas, la energía de los electrones alimenta las bombas de membrana que mueven activamente los iones de hidrógeno contra su gradiente de concentración desde el estroma hacia el espacio tilacoideo. Esto es bastante análogo al proceso que ocurre en la mitocondria en el que una cadena de transporte de electrones bombea iones de hidrógeno desde el estroma mitocondrial a través de la membrana interna y hacia el espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico. Después de usar la energía, el electrón es aceptado por una molécula de pigmento en el siguiente fotosistema, que se llama fotosistema I.

Desde el fotosistema II, el electrón viaja a lo largo de una serie de proteínas. Este sistema de transporte de electrones utiliza la energía del electrón para bombear iones de hidrógeno al interior del tilacoide. Una molécula de pigmento en el fotosistema I acepta el electrón.

Generando un portador de energía: ATP

En las reacciones dependientes de la luz, la energía absorbida por la luz solar es almacenada por dos tipos de moléculas portadoras de energía: ATP y NADPH. La energía que transportan estas moléculas se almacena en un enlace que mantiene un solo átomo a la molécula. Para ATP, es un átomo de fosfato, y para NADPH, es un átomo de hidrógeno. Recuerde que NADH era una molécula similar que transportaba energía en la mitocondria desde el ciclo del ácido cítrico hasta la cadena de transporte de electrones. Cuando estas moléculas liberan energía en el ciclo de Calvin, pierden átomos para convertirse en las moléculas de energía más baja ADP y NADP⁺.

La acumulación de iones de hidrógeno en el espacio tilacoideo forma un gradiente electroquímico debido a la diferencia en la concentración de protones (H⁺) y la diferencia en la carga a través de la membrana que crean. Esta energía potencial se cosecha y almacena como energía química en el ATP a través de la quimiosmosis, el movimiento de los iones de hidrógeno por su gradiente electroquímico a través de la enzima transmembrana ATP sintasa, al igual que en la mitocondria.

Se permite que los iones de hidrógeno pasen a través de la membrana tilacoidea a través de un complejo proteico incrustado llamado ATP sintasa. Esta misma proteína generó ATP a partir de ADP en la mitocondria. La energía generada por la corriente de iones de hidrógeno permite a la ATP sintasa unir un tercer fosfato al ADP, que forma una molécula de ATP en un proceso llamado fotofosforilación. El flujo de iones de hidrógeno a través de la ATP sintasa se llama quimiosmosis, porque los iones se mueven desde un área de alta a baja concentración a través de una estructura semipermeable.

Generando otro portador de energía: NADPH

La función restante de la reacción dependiente de la luz es generar la otra molécula portadora de energía, NADPH. A medida que el electrón de la cadena de transporte de electrones llega al fotosistema I, se energiza con otro fotón capturado por la clorofila. La energía de este electrón impulsa la formación de NADPH a partir de NADP⁺ y un ion de hidrógeno (H⁺). Ahora que la energía solar se almacena en portadores de energía, se puede usar para hacer una molécula de azúcar.

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