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7.10: Las reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz - Biología

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Objetivos de aprendizaje

Describir las reacciones dependientes de la luz que tienen lugar durante la fotosíntesis.

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

Las reacciones dependientes de la luz comienzan en un grupo de moléculas de pigmento y proteínas llamado 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 llegar a una molécula de pigmento, como la clorofila. El fotón hace que un electrón de la clorofila se "excite". La energía dada al electrón luego viaja de una molécula de pigmento a otra hasta que alcanza un par de clorofila. a moléculas llamadas centro de reacción. Esta energía luego excita un electrón en el centro de reacción, lo que hace que se libere y pase al aceptor de electrones primario. Por lo tanto, se dice que el centro de reacción "dona" un electrón al aceptor de electrones primario (Figura 1).

Para reemplazar el electrón en el centro de reacción, 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 tilacoide. Técnicamente, cada ruptura de una molécula de agua libera un par de electrones y, por lo tanto, puede reemplazar dos electrones donados.

La sustitución del electrón permite que el centro de reacción responda a otro fotón. Las moléculas de oxígeno producidas como subproductos encuentran su camino hacia el medio ambiente circundante. Los iones de hidrógeno juegan un papel crítico 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, existen dos fotosistemas, el primero se llama fotosistema II, que recibe su nombre por el orden de su descubrimiento más que por el orden de función.

Después de que el fotón impacta, el fotosistema II transfiere el electrón libre a la primera de una serie de proteínas dentro de la membrana tilacoide llamada cadena de transporte de electrones. A medida que el electrón pasa a lo largo de estas proteínas, la energía del electrón alimenta las bombas de membrana que mueven activamente los iones de hidrógeno en contra de su gradiente de concentración desde el estroma hacia el espacio tilacoide. 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 que se usa la energía, el electrón es aceptado por una molécula de pigmento en el siguiente fotosistema, que se llama fotosistema I (Figura 2).

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 el ATP, es un átomo de fosfato y para NADPH, es un átomo de hidrógeno. El NADH se discutirá más a fondo en relación con la respiración celular, que ocurre en la mitocondria, donde transporta energía desde el ciclo del ácido cítrico a la cadena de transporte de electrones. Cuando estas moléculas liberan energía en el ciclo de Calvin, cada una pierde átomos para convertirse en moléculas de menor energía ADP y NADP.+.

La acumulación de iones de hidrógeno en el espacio tilacoide 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 recolecta 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 tilacoide a través de un complejo de proteína 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 de 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 vuelve a energizar 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 utilizar para producir una molécula de azúcar.

Objetivos de aprendizaje

En la primera parte de la fotosíntesis, la reacción dependiente de la luz, las moléculas de pigmento absorben energía de la luz solar. El pigmento más común y abundante es la clorofila. a. Un fotón golpea el fotosistema II para iniciar la fotosíntesis. La energía viaja a través de la cadena de transporte de electrones, que bombea iones de hidrógeno al espacio tilacoide. Esto forma un gradiente electroquímico. Los iones fluyen a través de la ATP sintasa desde el espacio tilacoide hacia el estroma en un proceso llamado quimiosmosis para formar moléculas de ATP, que se utilizan para la formación de moléculas de azúcar en la segunda etapa de la fotosíntesis. El fotosistema I absorbe un segundo fotón, lo que da como resultado la formación de una molécula de NADPH, otro portador de energía para las reacciones del ciclo de Calvin.

Pregunta de práctica

Describe la vía de la energía en reacciones dependientes de la luz.

[revel-answer q = ”316164 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[hidden-answer a = ”316164 ″] La energía está presente inicialmente como luz. Un fotón de luz incide en la clorofila, provocando la activación de un electrón. El electrón libre viaja a través de la cadena de transporte de electrones y la energía del electrón se usa para bombear iones de hidrógeno al espacio tilacoide, transfiriendo la energía al gradiente electroquímico. La energía del gradiente electroquímico se utiliza para impulsar la ATP sintasa, y la energía se transfiere a un enlace en la molécula de ATP. Además, la energía de otro fotón se puede utilizar para crear un enlace de alta energía en la molécula NADPH. [/ Hidden-answer]


42 Las reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Explica cómo las plantas absorben la energía de la luz solar.
  • Describir longitudes de onda de luz cortas y largas.
  • Describir cómo y dónde tiene lugar la fotosíntesis dentro de una planta.

¿Cómo se puede utilizar la energía de la luz para producir alimentos? Cuando una persona enciende una lámpara, la energía eléctrica se convierte en energía luminosa. Como todas las otras formas de energía cinética, la luz puede viajar, cambiar de forma y ser aprovechada para realizar un trabajo. En el caso de la fotosíntesis, la energía de la luz se convierte en energía química, que los fotoautótrofos utilizan para construir moléculas básicas de carbohidratos ((Figura)). Sin embargo, los autótrofos solo usan unas pocas longitudes de onda específicas de luz solar.


¿Qué es la energía luminosa?

El sol emite una enorme cantidad de radiación electromagnética (energía solar en un espectro que va desde rayos gamma muy cortos hasta ondas de radio muy largas). Los humanos pueden ver solo una pequeña fracción de esta energía, a la que nos referimos como "luz visible". La forma en que viaja la energía solar se describe como ondas. Los científicos pueden determinar la cantidad de energía de una onda midiendo su longitud de onda (las longitudes de onda más cortas son más poderosas que las longitudes de onda más largas): la distancia entre los puntos de cresta consecutivos de una onda. Por lo tanto, una sola onda se mide desde dos puntos consecutivos, como de cresta a cresta o de vaguada a vaguada ((Figura)).


La luz visible constituye solo uno de los muchos tipos de radiación electromagnética emitida por el sol y otras estrellas. Los científicos diferencian los diversos tipos de energía radiante del sol dentro del espectro electromagnético. El espectro electromagnético es el rango de todas las posibles frecuencias de radiación ((Figura)). La diferencia entre las longitudes de onda se relaciona con la cantidad de energía que transportan.


Cada tipo de radiación electromagnética viaja en una longitud de onda particular. Cuanto más larga es la longitud de onda, menos energía transporta. Las ondas cortas y estrechas son las que transportan la mayor cantidad de energía. Esto puede parecer ilógico, pero piénselo en términos de un trozo de cuerda pesada en movimiento. Una persona necesita poco esfuerzo para mover una cuerda en ondas largas y anchas. Para hacer que una cuerda se mueva en ondas cortas y apretadas, una persona necesitaría aplicar mucha más energía.

El espectro electromagnético ((Figura)) muestra varios tipos de radiación electromagnética que se originan en el sol, incluidos los rayos X y los rayos ultravioleta (UV). Las ondas de mayor energía pueden penetrar los tejidos y dañar las células y el ADN, lo que explica por qué tanto los rayos X como los rayos UV pueden ser dañinos para los organismos vivos.

Absorción de luz

La energía luminosa inicia el proceso de fotosíntesis cuando los pigmentos absorben longitudes de onda específicas de luz visible. Los pigmentos orgánicos, ya sea en la retina humana o en el tilacoide del cloroplasto, tienen un rango estrecho de niveles de energía que pueden absorber. Los niveles de energía más bajos que los representados por la luz roja son insuficientes para elevar un electrón orbital a un estado excitado (cuántico). Los niveles de energía más altos que los de la luz azul romperán físicamente las moléculas, en un proceso llamado blanqueamiento. Nuestros pigmentos retinianos solo pueden "ver" (absorber) longitudes de onda entre 700 nm y 400 nm de luz, un espectro que por lo tanto se llama luz visible. Por las mismas razones, las plantas, las moléculas de pigmento absorben solo luz en el rango de longitud de onda de 700 nm a 400 nm, los fisiólogos de plantas se refieren a este rango para las plantas como radiación fotosintéticamente activa.

La luz visible que ven los humanos como luz blanca existe en realidad en un arco iris de colores. Ciertos objetos, como un prisma o una gota de agua, dispersan la luz blanca para revelar los colores al ojo humano. La porción de luz visible del espectro electromagnético muestra el arco iris de colores, donde el violeta y el azul tienen 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 menor energía ((Figura)).


Entendiendo los pigmentos

Existen diferentes tipos de pigmentos y cada uno absorbe solo longitudes de onda específicas (colores) de luz visible. Los pigmentos reflejan o transmiten las longitudes de onda que no pueden absorber, haciendo que parezcan una mezcla de los colores de la luz reflejada o transmitida.

Las clorofilas y los carotenoides son las dos clases principales de pigmentos fotosintéticos que se encuentran en las plantas y las algas, cada clase tiene varios tipos de moléculas de pigmento. Hay cinco clorofilas principales: a, B, C y D y una molécula relacionada que se encuentra en procariotas llamada bacterioclorofila. Clorofila a y clorofila B se encuentran en los cloroplastos de plantas superiores y serán el foco de la siguiente discusión.

Con docenas de formas diferentes, los carotenoides son un grupo de pigmentos mucho más grande. Los carotenoides que se encuentran en la fruta, como el rojo del tomate (licopeno), el amarillo de las semillas de maíz (zeaxantina) o la naranja de una cáscara de naranja (β-caroteno), se utilizan como anuncios para atraer a los dispersores de semillas. En la fotosíntesis, los carotenoides funcionan como pigmentos fotosintéticos que son moléculas muy eficientes para la eliminación del exceso de energía. Cuando una hoja se expone a pleno sol, se requieren reacciones dependientes de la luz para procesar una enorme cantidad de energía; si esa energía no se maneja adecuadamente, puede causar un daño significativo. Por lo tanto, muchos carotenoides residen en la membrana tilacoide, absorben el exceso de energía y disipan de manera segura esa energía en forma de calor.

Cada tipo de pigmento puede identificarse por el patrón específico de longitudes de onda que absorbe de la luz visible: esto se denomina espectro de absorción. El gráfico de la (Figura) muestra los espectros de absorción de la clorofila. a, clorofila By un tipo de pigmento carotenoide llamado β-caroteno (que absorbe la luz azul y verde). Observe cómo cada pigmento tiene un conjunto distinto de picos y valles, lo que revela un patrón de absorción muy específico. Clorofila a absorbe longitudes de onda de cualquier extremo del espectro visible (azul y rojo), pero no verde. Debido a que el verde se refleja o se transmite, la clorofila aparece verde. Los carotenoides se absorben en la región azul de longitud de onda corta y reflejan las longitudes de onda más largas de color amarillo, rojo y naranja.


Muchos organismos fotosintéticos tienen una mezcla de pigmentos y, al usar estos pigmentos, el organismo puede absorber energía de una gama más amplia de longitudes de onda. No todos los organismos fotosintéticos tienen acceso total a la luz solar. Algunos organismos crecen bajo el agua donde la intensidad y la calidad de la luz disminuyen y cambian con la profundidad. Otros organismos crecen compitiendo por la luz. Las plantas en el suelo de la selva deben poder absorber cualquier parte de la luz que entra, porque los árboles más altos absorben la mayor parte de la luz solar y dispersan la radiación solar restante ((Figura)).


Al estudiar un organismo fotosintético, los científicos pueden determinar los tipos de pigmentos presentes generando espectros de absorción. Un instrumento llamado espectrofotómetro puede diferenciar qué longitudes de onda de luz puede absorber una sustancia. Los espectrofotómetros miden la luz transmitida y calculan a partir de ella la absorción. Al extraer pigmentos de las hojas y colocar estas muestras en un espectrofotómetro, los científicos pueden identificar qué longitudes de onda de luz puede absorber un organismo. Los métodos adicionales para la identificación de pigmentos vegetales incluyen varios tipos de cromatografía que separan los pigmentos por sus afinidades relativas a las fases sólidas y móviles.

Cómo funcionan las reacciones dependientes de la luz

La función general de las reacciones dependientes de la luz es convertir la energía solar en energía química en forma de NADPH y ATP. Esta energía química apoya las reacciones independientes de la luz y alimenta el ensamblaje de moléculas de azúcar. Las reacciones dependientes de la luz se muestran en la (Figura). Los complejos de proteínas y las moléculas de pigmento trabajan juntos para producir NADPH y ATP. La numeración de los fotosistemas se deriva del orden en que fueron descubiertos, no del orden de transferencia de electrones.


El paso real que convierte la energía luminosa en energía química tiene lugar en un complejo multiproteico llamado fotosistema, dos tipos de los cuales se encuentran incrustados en la membrana tilacoide: el fotosistema II (PSII) y el fotosistema I (PSI) ((Figura)). Los dos complejos se diferencian en función de lo que oxidan (es decir, la fuente del suministro de electrones de baja energía) y de lo que reducen (el lugar al que entregan sus electrones energizados).

Ambos fotosistemas tienen la misma estructura básica, una serie de proteínas de antena a las que se unen las moléculas de clorofila rodean el centro de reacción donde tiene lugar la fotoquímica. Cada fotosistema es atendido por el complejo de captación de luz, que pasa la energía de la luz solar al centro de reacción; consta de múltiples proteínas de antena que contienen una mezcla de 300 a 400 clorofila. a y B moléculas así como otros pigmentos como los carotenoides. La absorción de un solo fotón o una cantidad distinta o "paquete" de luz por cualquiera de las clorofilas empuja esa molécula a un estado excitado. En resumen, la energía de la luz ahora ha sido capturada por moléculas biológicas, pero aún no se almacena de ninguna forma útil. La energía se transfiere de la clorofila a la clorofila hasta que finalmente (después de una millonésima de segundo) se envía al centro de reacción. Hasta este punto, solo se ha transferido energía entre moléculas, no electrones.


¿Cuál es la fuente inicial de electrones para la cadena de transporte de electrones del cloroplasto?

El centro de reacción contiene un par de clorofila. a moléculas con una propiedad especial. Esas dos clorofilas pueden sufrir oxidación tras la excitación; de hecho, pueden ceder un electrón en un proceso llamado fotoacto. Es en este paso del centro de reacción durante la fotosíntesis que la energía luminosa se convierte en un electrón excitado. Todos los pasos posteriores implican llevar ese electrón al portador de energía NADPH para entregarlo al ciclo de Calvin, donde el electrón se deposita en el carbono para su almacenamiento a largo plazo en forma de carbohidrato. PSII y PSI son dos componentes principales de la cadena de transporte de electrones fotosintéticos, que también incluye la complejo de citocromo. El complejo de citocromo, una enzima compuesta por dos complejos de proteínas, transfiere los electrones de la molécula portadora plastoquinona (Pq) a la proteína plastocianina (Pc), lo que permite tanto la transferencia de protones a través de la membrana tilacoide como la transferencia de electrones de PSII a PSI.

El centro de reacción de PSII (llamado P680) entrega sus electrones de alta energía, uno a la vez, al aceptor de electrones primario, y a través de la cadena de transporte de electrones (Pq al complejo de citocromo a plastocianina) a PSI. El electrón faltante de P680 se reemplaza extrayendo un electrón de baja energía del agua, por lo que el agua se "divide" durante esta etapa de la fotosíntesis y el PSII se vuelve a reducir después de cada fotoacto. Dividiendo una H2La molécula de O libera dos electrones, dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Sin embargo, se requiere dividir dos moléculas para formar una molécula de O diatómico.2 gas. Aproximadamente el 10 por ciento del oxígeno es utilizado por las mitocondrias en la hoja para apoyar la fosforilación oxidativa. El resto escapa a la atmósfera donde es utilizado por organismos aeróbicos para apoyar la respiración.

A medida que los electrones se mueven a través de las proteínas que residen entre PSII y PSI, pierden energía. Esta energía se utiliza para mover átomos de hidrógeno desde el lado estromal de la membrana hasta la luz del tilacoide. Esos átomos de hidrógeno, más los producidos al dividir el agua, se acumulan en la luz del tilacoide y se utilizarán para sintetizar ATP en un paso posterior. Debido a que los electrones han perdido energía antes de su llegada a PSI, deben ser reactivados por PSI, por lo tanto, la antena de PSI absorbe otro fotón. Esa energía se transmite al centro de reacción de PSI (llamado P700). P700 se oxida y envía un electrón de alta energía a NADP + para formar NADPH. Por lo tanto, PSII captura la energía para crear gradientes de protones para producir ATP, y PSI captura la energía para reducir NADP + en NADPH. Los dos fotosistemas funcionan en conjunto, en parte, para garantizar que la producción de NADPH será aproximadamente igual a la producción de ATP. Existen otros mecanismos para ajustar esa proporción para que coincida exactamente con las necesidades energéticas en constante cambio del cloroplasto.

Generación de un portador de energía: ATP

Al igual que en el espacio intermembrana de las mitocondrias durante la respiración celular, la acumulación de iones de hidrógeno dentro de la luz del tilacoide crea un gradiente de concentración. La difusión pasiva de iones de hidrógeno de alta concentración (en la luz del tilacoide) a baja concentración (en el estroma) se aprovecha para crear ATP, al igual que en la cadena de transporte de electrones de la respiración celular. Los iones acumulan energía debido a la difusión y porque todos tienen la misma carga eléctrica, repeliéndose entre sí.

Para liberar esta energía, los iones de hidrógeno se precipitarán a través de cualquier abertura, similar al chorro de agua a través de un agujero en una presa. En el tilacoide, esa abertura es un paso a través de un canal de proteínas especializado llamado ATP sintasa. La energía liberada por la corriente de iones de hidrógeno permite que la ATP sintasa se una a un tercer grupo fosfato al ADP, que forma una molécula de ATP ((Figura)). El flujo de iones de hidrógeno a través de la ATP sintasa se llama quimiosmosis porque los iones se mueven de un área de alta a un área de baja concentración a través de una estructura semipermeable del tilacoide.

Visite este sitio y haga clic en la animación para ver el proceso de fotosíntesis dentro de una hoja.

Resumen de la sección

Los pigmentos de la primera parte de la fotosíntesis, las reacciones dependientes de la luz, absorben energía de la luz solar. Un fotón golpea los pigmentos de la antena del fotosistema II para iniciar la fotosíntesis. La energía viaja al centro de reacción que contiene clorofila. a y luego a la cadena de transporte de electrones, que bombea iones de hidrógeno al interior del tilacoide. Esta acción genera una alta concentración de iones de hidrógeno. Los iones de hidrógeno fluyen a través de la ATP sintasa durante la quimiosmosis para formar moléculas de ATP, que se utilizan para la formación de moléculas de azúcar en la segunda etapa de la fotosíntesis. El fotosistema I absorbe un segundo fotón, lo que da como resultado la formación de una molécula de NADPH, otra energía y un portador reductor para las reacciones independientes de la luz.

Preguntas de conexión visual

(Figura) ¿Cuál es la fuente de electrones para la cadena de transporte de electrones del cloroplasto?


7.10: Las reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz - Biología

¿Qué afirmación sobre la biosíntesis de carbohidratos durante las reacciones oscuras de la fotosíntesis (es decir, las reacciones del ciclo de Calvin) NO ES CIERTA?

UNA. RUBISCO es una enzima necesaria para la fijación de dióxido de carbono.
B. NADPH es la fuente de electrones para la biosíntesis de glucosa.
C. El ATP es la fuente de energía para la biosíntesis de glucosa.
D. Las reacciones ocurren en las membranas fotosintéticas de los cloroplastos.
MI. No se requiere oxígeno.

Biosíntesis de carbohidratos

Características de la ecuación para reacciones oscuras.

  • RUBISCO es la enzima fijadora de CO 2 para la biosíntesis de carbohidratos.
  • RUBISCO fija 6 CO 2 por glucosa sintetizada.
  • No se requiere oxígeno para la biosíntesis de carbohidratos.
  • Resto de reacciones utilizadas para sintetizar glucosa y regenerar RuBP.
  • NADPH se utiliza para reducir el 3-fosfoglicerato a un azúcar de 3 carbonos. Se requieren 2 NADPH.
  • Se requieren 3 ATP por cada RuBP regenerado.

Vía para la biosíntesis de carbohidratos

Las reacciones son catalizadas por enzimas solubles del estroma del cloroplasto.


Absorción de luz

La energía luminosa 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 existe en realidad 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. La porción de luz visible del espectro electromagnético es percibida por el ojo humano como un arco iris de colores, donde el violeta y el azul tienen 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 menor energía.


Instantáneas


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 vuelve a energizar 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 utilizar para producir una molécula de azúcar.


Las reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz

¿Cómo se puede utilizar la luz para hacer alimentos? Cuando una persona enciende una lámpara, la energía eléctrica se convierte en energía luminosa. Como todas las otras formas de energía cinética, la luz puede viajar, cambiar de forma y ser aprovechada para realizar un trabajo. En el caso de la fotosíntesis, la energía de la luz se convierte en energía química, que los fotoautótrofos utilizan para construir moléculas de carbohidratos ([enlace]). Sin embargo, los autótrofos solo usan algunos componentes específicos de la luz solar.

¿Qué es la energía luminosa?

El sol emite una enorme cantidad de radiación electromagnética (energía solar). Los seres humanos pueden ver solo una fracción de esta energía, por lo que se hace referencia a esta parte como "luz visible". La forma en que viaja la energía solar se describe como ondas. Los científicos pueden determinar la cantidad de energía de una onda midiendo su longitud de onda, la distancia entre puntos consecutivos de una onda. Una sola onda se mide desde dos puntos consecutivos, como de cresta a cresta o de vaguada a vaguada ([enlace]).

La luz visible constituye solo uno de los muchos tipos de radiación electromagnética emitida por el sol y otras estrellas. Los científicos diferencian los diversos tipos de energía radiante del sol dentro del espectro electromagnético. los espectro electromagnético es el rango de todas las posibles frecuencias de radiación ([enlace]). La diferencia entre las longitudes de onda se relaciona con la cantidad de energía que transportan.

Cada tipo de radiación electromagnética viaja en una longitud de onda particular. Cuanto más larga sea la longitud de onda (o cuanto más estirada aparezca en el diagrama), menos energía se transporta. Las ondas cortas y estrechas son las que transportan la mayor cantidad de energía. Esto puede parecer ilógico, pero piénselo en términos de mover una cuerda pesada. Una persona necesita poco esfuerzo para mover una cuerda en ondas largas y anchas. Para hacer que una cuerda se mueva en ondas cortas y apretadas, una persona necesitaría aplicar mucha más energía.

El espectro electromagnético ([enlace]) muestra varios tipos de radiación electromagnética que se originan en el sol, incluidos los rayos X y los rayos ultravioleta (UV). Las ondas de mayor energía pueden penetrar los tejidos y dañar las células y el ADN, lo que explica por qué tanto los rayos X como los rayos UV pueden ser dañinos para los organismos vivos.

Absorción de luz

La energía luminosa inicia el proceso de fotosíntesis cuando los pigmentos absorben la luz. Los pigmentos orgánicos, ya sea en la retina humana o en el tilacoide del cloroplasto, tienen un rango estrecho de niveles de energía que pueden absorber. Los niveles de energía más bajos que los representados por la luz roja son insuficientes para elevar un electrón orbital a un estado (cuántico) excitado y poblado. Los niveles de energía más altos que los de la luz azul romperán físicamente las moléculas, lo que se denomina blanqueamiento. Por lo tanto, los pigmentos de la retina solo pueden "ver" (absorber) luz de 700 nm a 400 nm, que por lo tanto se llama luz visible. Por las mismas razones, las moléculas de pigmento de las plantas absorben solo luz en el rango de longitud de onda de 700 nm a 400 nm, los fisiólogos de plantas se refieren a este rango para las plantas como radiación fotosintéticamente activa.

La luz visible que ven los humanos como luz blanca existe en realidad en un arco iris de colores. Ciertos objetos, como un prisma o una gota de agua, dispersan la luz blanca para revelar los colores al ojo humano. La porción de luz visible del espectro electromagnético muestra el arco iris de colores, donde el violeta y el azul tienen 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 menor energía ([enlace]).

Entendiendo los pigmentos

Existen diferentes tipos de pigmentos, y cada uno ha evolucionado para absorber solo ciertas longitudes de onda (colores) de luz visible. Los pigmentos reflejan o transmiten las longitudes de onda que no pueden absorber, haciendo que aparezcan en el color correspondiente.

Las clorofilas y los carotenoides son las dos clases principales de pigmentos fotosintéticos que se encuentran en las plantas y las algas, cada clase tiene varios tipos de moléculas de pigmento. Hay cinco clorofilas principales: a, B, C y D y una molécula relacionada que se encuentra en los procariotas llamada bacterioclorofila. Clorofila a y clorofila B se encuentran en los cloroplastos de plantas superiores y serán el foco de la siguiente discusión.

Con docenas de formas diferentes, los carotenoides son un grupo de pigmentos mucho más grande. Los carotenoides que se encuentran en la fruta, como el rojo del tomate (licopeno), el amarillo de las semillas de maíz (zeaxantina) o la naranja de una cáscara de naranja (β-caroteno), se utilizan como anuncios para atraer a los dispersores de semillas. En la fotosíntesis, carotenoides funcionan como pigmentos fotosintéticos que son moléculas muy eficientes para la eliminación del exceso de energía. Cuando una hoja se expone a pleno sol, se requieren reacciones dependientes de la luz para procesar una enorme cantidad de energía; si esa energía no se maneja adecuadamente, puede causar un daño significativo. Por lo tanto, muchos carotenoides residen en la membrana tilacoide, absorben el exceso de energía y disipan de manera segura esa energía en forma de calor.

Cada tipo de pigmento puede identificarse por el patrón específico de longitudes de onda que absorbe de la luz visible, que es el espectro de absorción. El gráfico de [enlace] muestra los espectros de absorción de la clorofila. a, clorofila By un tipo de pigmento carotenoide llamado β-caroteno (que absorbe la luz azul y verde). Observe cómo cada pigmento tiene un conjunto distinto de picos y valles, lo que revela un patrón de absorción muy específico. Clorofila a absorbe longitudes de onda de cualquier extremo del espectro visible (azul y rojo), pero no verde. Debido a que el verde se refleja o se transmite, la clorofila aparece verde. Los carotenoides se absorben en la región azul de longitud de onda corta y reflejan las longitudes de onda más largas de color amarillo, rojo y naranja.

Muchos organismos fotosintéticos tienen una mezcla de pigmentos que los utilizan, el organismo puede absorber energía de una gama más amplia de longitudes de onda. No todos los organismos fotosintéticos tienen acceso total a la luz solar. Algunos organismos crecen bajo el agua donde la intensidad y la calidad de la luz disminuyen y cambian con la profundidad. Otros organismos crecen compitiendo por la luz. Las plantas en el suelo de la selva deben poder absorber cualquier parte de la luz que entra, porque los árboles más altos absorben la mayor parte de la luz solar y dispersan la radiación solar restante ([enlace]).

Al estudiar un organismo fotosintético, los científicos pueden determinar los tipos de pigmentos presentes generando espectros de absorción. Un instrumento llamado espectrofotómetro puede diferenciar qué longitudes de onda de luz puede absorber una sustancia. Los espectrofotómetros miden la luz transmitida y calculan a partir de ella la absorción. Al extraer pigmentos de las hojas y colocar estas muestras en un espectrofotómetro, los científicos pueden identificar qué longitudes de onda de luz puede absorber un organismo. Los métodos adicionales para la identificación de pigmentos vegetales incluyen varios tipos de cromatografía que separan los pigmentos por sus afinidades relativas a las fases sólidas y móviles.

Cómo funcionan las reacciones dependientes de la luz

La función general de las reacciones dependientes de la luz es convertir la energía solar en energía química en forma de NADPH y ATP. Esta energía química apoya las reacciones independientes de la luz y alimenta el ensamblaje de moléculas de azúcar. Las reacciones dependientes de la luz se describen en [enlace]. Los complejos de proteínas y las moléculas de pigmento trabajan juntos para producir NADPH y ATP.

El paso real que convierte la energía luminosa en energía química tiene lugar en un complejo multiproteico llamado fotosistema, dos tipos de los cuales se encuentran incrustados en la membrana tilacoide, fotosistema II (PSII) y fotosistema I (PSI) ([enlace]). Los dos complejos se diferencian en función de lo que oxidan (es decir, la fuente del suministro de electrones de baja energía) y de lo que reducen (el lugar al que entregan sus electrones energizados).

Ambos fotosistemas tienen la misma estructura básica una serie de proteínas de antena al que se unen las moléculas de clorofila rodean el centro de reacción donde tiene lugar la fotoquímica. Cada fotosistema es atendido por el complejo de captación de luz, que pasa la energía de la luz solar al centro de reacción. Consta de múltiples proteínas de antena que contienen una mezcla de 300-400 clorofila. a y B moléculas así como otros pigmentos como los carotenoides. La absorción de un solo fotón o una cantidad distinta o "paquete" de luz por cualquiera de las clorofilas empuja esa molécula a un estado excitado. En resumen, la energía de la luz ahora ha sido capturada por moléculas biológicas, pero aún no se almacena de ninguna forma útil. La energía se transfiere de la clorofila a la clorofila hasta que finalmente (después de aproximadamente una millonésima de segundo) se entrega al centro de reacción. Hasta este punto, solo se ha transferido energía entre moléculas, no electrones.

¿Cuál es la fuente inicial de electrones para la cadena de transporte de electrones del cloroplasto?

El centro de reacción contiene un par de clorofila. a moléculas con una propiedad especial. Esas dos clorofilas pueden sufrir oxidación tras la excitación; de hecho, pueden ceder un electrón en un proceso llamado fotoacto. Es en este paso del centro de reacción, este paso de la fotosíntesis, que la energía luminosa se convierte en un electrón excitado. Todos los pasos posteriores implican llevar ese electrón al portador de energía NADPH para su entrega al ciclo de Calvin donde el electrón se deposita en el carbono para su almacenamiento a largo plazo en forma de carbohidrato. PSII y PSI son dos componentes principales de la fotosintética cadena de transporte de electrones, que también incluye el complejo de citocromo. El complejo de citocromo, una enzima compuesta por dos complejos de proteínas, transfiere los electrones de la molécula portadora plastoquinona (Pq) a la proteína plastocianina (Pc), lo que permite tanto la transferencia de protones a través de la membrana tilacoide como la transferencia de electrones de PSII a PSI.

El centro de reacción de PSII (llamado P680) entrega sus electrones de alta energía, uno a la vez, al aceptor de electrones primarioya través de la cadena de transporte de electrones (Pq al complejo del citocromo a la plastocianina) al PSI. El electrón faltante de P680 se reemplaza extrayendo un electrón de baja energía del agua, por lo que el agua se divide y el PSII se vuelve a reducir después de cada fotoacto. Dividiendo una H2La molécula de O libera dos electrones, dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Se requiere dividir dos moléculas para formar una molécula de O diatómico2 gas. Aproximadamente el 10 por ciento del oxígeno es utilizado por las mitocondrias en la hoja para apoyar la fosforilación oxidativa. El resto escapa a la atmósfera donde es utilizado por organismos aeróbicos para apoyar la respiración.

A medida que los electrones se mueven a través de las proteínas que residen entre PSII y PSI, pierden energía. Esa energía se usa para mover átomos de hidrógeno desde el lado estromal de la membrana hasta la luz del tilacoide. Esos átomos de hidrógeno, más los producidos al dividir el agua, se acumulan en la luz del tilacoide y se utilizarán para sintetizar ATP en un paso posterior. Debido a que los electrones han perdido energía antes de su llegada a PSI, deben ser reactivados por PSI, por lo tanto, la antena de PSI absorbe otro fotón. Esa energía se transmite al centro de reacción de PSI (llamado P700). P700 se oxida y envía un electrón de alta energía a NADP + para formar NADPH. Por lo tanto, PSII captura la energía para crear gradientes de protones para producir ATP, y PSI captura la energía para reducir NADP + en NADPH. Los dos fotosistemas funcionan en conjunto, en parte, para garantizar que la producción de NADPH sea aproximadamente igual a la producción de ATP. Existen otros mecanismos para ajustar esa proporción para que coincida exactamente con las necesidades energéticas en constante cambio del cloroplasto.

Generando un portador de energía: ATP

Al igual que en el espacio intermembrana de las mitocondrias durante la respiración celular, la acumulación de iones de hidrógeno dentro de la luz del tilacoide crea un gradiente de concentración. La difusión pasiva de iones de hidrógeno de alta concentración (en la luz del tilacoide) a baja concentración (en el estroma) se aprovecha para crear ATP, al igual que en la cadena de transporte de electrones de la respiración celular. Los iones acumulan energía debido a la difusión y porque todos tienen la misma carga eléctrica, repeliéndose entre sí.

Para liberar esta energía, los iones de hidrógeno se precipitarán a través de cualquier abertura, similar al chorro de agua a través de un agujero en una presa. En el tilacoide, esa abertura es un paso a través de un canal de proteínas especializado llamado ATP sintasa. The energy released by the hydrogen ion stream allows ATP synthase to attach a third phosphate group to ADP, which forms a molecule of ATP ([link]). The flow of hydrogen ions through ATP synthase is called chemiosmosis because the ions move from an area of high to an area of low concentration through a semi-permeable structure.

Watch this video to view the process of photosynthesis within a leaf.

Resumen de la sección

The pigments of the first part of photosynthesis, the light-dependent reactions, absorb energy from sunlight. A photon strikes the antenna pigments of photosystem II to initiate photosynthesis. The energy travels to the reaction center that contains chlorophyll a to the electron transport chain, which pumps hydrogen ions into the thylakoid interior. This action builds up a high concentration of ions. The ions flow through ATP synthase via chemiosmosis to form molecules of ATP, which are used for the formation of sugar molecules in the second stage of photosynthesis. Photosystem I absorbs a second photon, which results in the formation of an NADPH molecule, another energy and reducing power carrier for the light-independent reactions.

Conexiones de arte

[link] What is the source of electrons for the chloroplast electron transport chain?


The Process of Photosynthesis: Light Dependent and Independent Reactions

Photosynthesis is the most essential biological process for human and animal life. It is the process by which carbon dioxide and water are converted by plants and sunlight into the oxygen we breathe and the organic molecules (like glucose) that we consume. The process of photosynthesis is made up of light dependent reactions (the photo’ part) and sugar making or light independent reactions (the synthesis part).

Light dependent reactions

Here is an explanation in technical terms: To begin with water is taken up by the roots and circulated by veins to the leaves. Sunlight then enters the leaf and penetrates the mesophyll cells of the leaf. Within these cells are organelles known as chloroplasts made up of thylakoid membranes that are stacked and surrounded by fluid known as stoma. The light hits the thylakoid membranes and excites electrons that are within the reaction centres within these. The electrons then create ATP and NADPH to be used by the Calvin cycle. Light of red and blue wavelengths is the most effective for photosynthesis whereas green light is reflected hence the green appearance of plants. Also of important notice is that water accepts these electrons to become oxygen and some H+ ions.

In simple terms: Light enters the leaves of the plant and is used as the energy to produce products to be used by the light independent reactions.

Light independent reactions (the Calvin cycle)

In scientific terms: In land plants the carbon dioxide is absorbed by pores (called stomata) in the leaves of the plant. The carbon dioxide is then consumed by the Calvin cycle and combined with H+ ions to create glucose via a complicated chain of reactions that use the ATP and NADPH. The result of this process is that energy has been used to make glucose energy that will later be utilized when glucose is broken down by humans or animals.

In short: carbon dioxide enters the plant and along with the products produced by the light dependent reactions it is made into the sugar glucose.

Interesting facts

  • – photosynthesis is in simple terms the reverse of respiration (using energy like glucose)
  • – photosynthesis is carried out by plants, plankton and many other photosynthetic organisms
  • – plant respire and thus also do the reverse of photosynthesis

This has just been a short overview of the biologically important process of photosynthesis (there is much more information available on the web and in books) but the important message are that there are two series and reactions that result in the production of oxygen and glucose from carbon dioxide and water.


What Is Light Energy?

The sun emits an enormous amount of electromagnetic radiation (solar energy in a spectrum from very short gamma rays to very long radio waves). Humans can see only a tiny fraction of this energy, which we refer to as “visible light.” The manner in which solar energy travels is described as waves. Scientists can determine the amount of energy of a wave by measuring its wavelength (shorter wavelengths are more powerful than longer wavelengths)—the distance between consecutive crest points of a wave. Therefore, a single wave is measured from two consecutive points, such as from crest to crest or from trough to trough (Figure).

The wavelength of a single wave is the distance between two consecutive points of similar position (two crests or two troughs) along the wave.

Visible light constitutes only one of many types of electromagnetic radiation emitted from the sun and other stars. Scientists differentiate the various types of radiant energy from the sun within the electromagnetic spectrum. The electromagnetic spectrum is the range of all possible frequencies of radiation (Figure). The difference between wavelengths relates to the amount of energy carried by them.

El sol emite energía en forma de radiación electromagnética. This radiation exists at different wavelengths, each of which has its own characteristic energy. Toda la radiación electromagnética, incluida la luz visible, se caracteriza por su longitud de onda.

Each type of electromagnetic radiation travels at a particular wavelength. Cuanto más larga es la longitud de onda, menos energía transporta. Short, tight waves carry the most energy. This may seem illogical, but think of it in terms of a piece of moving heavy rope. It takes little effort by a person to move a rope in long, wide waves. To make a rope move in short, tight waves, a person would need to apply significantly more energy.

The electromagnetic spectrum (Figure) shows several types of electromagnetic radiation originating from the sun, including X-rays and ultraviolet (UV) rays. The higher-energy waves can penetrate tissues and damage cells and DNA, which explains why both X-rays and UV rays can be harmful to living organisms.


Ver el vídeo: Reacciones que Capturan Energía. Biología. Fotosíntesis. V2. Egg Educación (Noviembre 2022).