Fotosíntesis Hasta hace 400 años, se aceptaba que los seres vivos necesitaban "ingerir“ alimentos para sobrevivir; y en el caso de las plantas, se pensaba.

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1 Fotosíntesis Hasta hace 400 años, se aceptaba que los seres vivos necesitaban "ingerir“ alimentos para sobrevivir; y en el caso de las plantas, se pensaba que tomaban su alimento del suelo. Para comprobar lo anterior, a principios del siglo XVII el científico Jean Baptiste Van Helmont planificó un experimento que resultó de gran importancia. Llenó una cuba con 90 kilogramos de tierra que había secado previamente en un horno, luego la empapó bien con agua y plantó un árbol de sauce. Le hizo una cubierta para evitar que cayera tierra en la cuba y lo regaba periódicamente.

2 Fotosíntesis El árbol creció y después de cinco años lo sacó con sus raíces y encontró que pesaba 76.1 Kg, secó la tierra y encontró que faltaban 100 gramos para llegar al peso original. Concluyó entonces que la madera, corteza y raíces del sauce procedían del agua exclusivamente y no del suelo. Van Helmont trabajó a principios del siglo XVII cuando se sabía poco del crecimiento de las plantas. Hoy se sabe que las plantas absorben algo más que agua. Años después Joseph Priestley, a fines del siglo XVIII, descubrió que además de agua, absorbe bióxido de carbono del aire y las plantas verdes despiden o exhalan oxígeno.

3 Fotosíntesis Siete años más tarde Ian Ingenhousz demostró que las plantas pueden dar oxígeno al aire cuando hay suficiente luz solar, lo cual afirma que la luz es necesaria para la producción de oxígeno. Pasaron muchos años y muchos experimentos científicos hasta que se llegó a descubrir cómo era el proceso de fotosíntesis y aún hoy en día se continúan descubriendo detalles químicos y metabólicos, es decir, aún hoy en día, hay pasos químicos que realizan los autótrofos (organismos fotosintéticos) que no conocemos.

4 Fotosíntesis La vida en la Tierra depende fundamentalmente de la energía que nos llega del Sol, la cual es atrapada mediante el proceso de fotosíntesis, que es responsable de la producción de toda la materia orgánica que conocemos. La materia orgánica comprende los alimentos que consumimos diariamente tanto nosotros como los animales, los combustibles fósiles (petróleo, gas, gasolina, carbón); así como la leña, madera, pulpa para papel, inclusive la materia prima para la fabricación de fibras sintéticas, plásticos, poliéster, etc.

5 Fotosíntesis La fotosíntesis es un proceso anabólico, en el que utilizando la energía luminosa, se sintetiza materia orgánica (glucosa y otras moléculas orgánicas) por reducción de materia inorgánica (CO2, NO3-, SO42-), por consiguiente podemos decir que en la fotosíntesis se transforma la energía luminosa en energía química que se almacena en los compuestos orgánicos.

6 Fotosíntesis Los organismos que en el curso de la evolución aprendieron a usar la energía solar y a transformarla en energía química son los llamados autótrofos, que están representados por bacterias y organismos del reino vegetal.   La vida en la Tierra continúa dependiendo de la fotosíntesis. Los organismos fotosintéticos capturan la energía de la luz y, en una serie de reacciones muy complejas, la utilizan para fabricar los glúcidos (carbohidratos), y liberar el oxígeno, a partir del dióxido de carbono y del agua.

7 Fotosíntesis La fotosíntesis es en esencia un proceso de óxido-reducción, en el que el carbono del dióxido de carbono (CO2) se reduce a carbono orgánico.  Los organismos fotosintetizadores principales son las plantas y las algas microscópicas marinas. La fotosíntesis en las plantas consiste básicamente en la producción de una sustancia orgánica (un carbohidrato sencillo) a partir de moléculas inorgánicas (el dióxido de carbono como sustrato a reducir, y el agua como dador de electrones que se oxida), mediante el aprovechamiento de la energía lumínica (que queda almacenada como energía química dentro de la molécula sintetizada) y con desprendimiento de oxígeno.  El proceso global puede expresarse mediante la siguiente reacción: 6CO2 + 6H2O + Luz  C6H12O6 + 6O2

8 Fotosíntesis La fotosíntesis tiene que ver con la forma cómo las plantas transforman la energía solar en energía química liberando al mismo tiempo oxígeno y agua y almacenando la energía bajo la forma de carbohidratos. La respiración se refiere al proceso mediante el cual las plantas toman oxígeno y desprenden dióxido de carbono. Ambos procesos son inversos. La vida sobre la Tierra existe gracias a dos procesos vitales: La fotosíntesis y la respiración.

9 Fotosíntesis La fotosíntesis tiene lugar en:
a) Los cloroplastos de las células eucariotas. Los cloroplastos (son componentes celulares que contienen tres tipos de pigmentos: Clorofila a y b de color verde. Carotenos de color anaranjado Xantofilas de color amarillo b) En los tilacoides de las cianobacterias. Los tilacoides son sacos aplanados, o vesículas, que forman parte de la estructura de la membrana interna del cloroplasto). c) En la membrana celular y el citoplasma de las bacterias fotosintéticas.

10 Fotosíntesis Fases de la fotosíntesis: como se ha visto, en la fotosíntesis hay oxidación del agua y reducción del dióxido de carbono pero este proceso de oxido-reducción no se hace ni espontánea ni directamente, sino través de un conjunto de reacciones complejas que suceden en dos etapas: a) Fase luminosa: serie de reacciones que dependen de la luz y son independientes de la temperatura. b) Fase oscura: serie de reacciones que dependen de la temperatura y son independientes de la luz.

11 Fotosíntesis Fase luminosa: es una etapa en la que se producen reacciones químicas con la ayuda de la luz solar y la clorofila. Es una fase compleja en la que ocurren tres procesos diferentes aunque íntimamente relacionados: En la fase luminosa la clorofila capta la luz, "se excita" y trae como consecuencia tres sucesos: 1.- Captación de la luz solar 2. Fotólisis del agua 3.- Transporte de electrones. 4.- Síntesis de ATP o fotofosforilación

12 Fotosíntesis 1.- Captación de la luz solar: Los pigmentos captadores de la luz son, en las plantas verdes, las clorofilas y los carotenoides. En algas y bacterias pueden aparecer otros pigmentos. Las clorofilas (color verde) son moléculas en cuyo interior hay un átomo de magnesio, y del cual sale una larga cadena lateral. En los vegetales superiores hay dos tipos de clorofilas: la clorofila a que es el pigmento directamente implicado en la transformación de la energía luminosa en energía química; y la clorofila b, que actúa como pigmento auxiliar. Los carotenoides son moléculas que absorben luz de diferente longitud de onda (λ) a la absorbida por las clorofilas. Los más importantes son el β-caroteno (color anaranjado)y la xantofila (color amarillo). Estos pigmentos captadores de luz se encuentran en las membranas tilacoidales.

13 Fotosíntesis 2.- Fotólisis del agua: Las moléculas fotorreceptoras (clorofilas y carotenoides) absorben la energía de la luz solar y provocan el rompimiento de la molécula de agua (H2O), separando el hidrógeno (H) del oxígeno (O); es decir, el enlace químico que mantiene unidos al hidrógeno y al oxígeno de la molécula de agua, se rompe por efecto de la luz. El proceso genera oxígeno gaseoso que se libera al ambiente, y la energía no utilizada es almacenada en moléculas especiales llamadas ATP. En consecuencia, cada vez que la luz esté presente, se desencadenará en todo organismo fotosintético, este proceso descrito. Fotólisis del agua Luz H2O  4H+ + 4e- + O2

14 Fotosíntesis Transporte de electrones. Durante la fase luminosa de la fotosíntesis se produce un transporte de electrones desde un dador que en las plantas es el H2O hasta el NADP+ que es el aceptor final, a través de una cadena transportadora de electrones (conjunto de moléculas) localizada en la membrana tilacoidal. Los pigmentos (clorofilas y carotenoides) están acoplados a la cadena transportadora y hacen posible el transporte de los electrones con la energía luminosa captada por ellos. La energía luminosa absorbida en los fotosistemas aumenta el estado energético de los electrones del H2O, haciendo posible su transporte hasta el NADP+, que al captarlos se reduce a NADPH+H+.

15 Fotosíntesis 4.- Fotofosforilación: es el proceso mediante el cual se sintetiza ATP en la fase luminosa de la fotosíntesis también se llama fosforilación fotosintética. Este proceso ocurre porque el transporte de electrones desde el agua al NADP+ a través de la cadena fotosintética va acompañada de la liberación de H+ .

16 Fotosíntesis Fase oscura: es una etapa en la que no se necesita la luz, aunque se realiza en su presencia. Ocurre en el estroma de los cloroplastos y depende directamente de los productos obtenidos en la fase luminosa (NADPH y ATP). En esta fase, el hidrógeno formado en la fase anterior se suma al dióxido de carbono gaseoso (CO2) presente en el aire, dando como resultado la producción de compuestos orgánicos, principalmente carbohidratos; es decir, compuestos cuyas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Dicho proceso se desencadena gracias a la energía almacenada en las moléculas de ATP que da como resultado el carbohidrato llamado glucosa (C6HI2O6), un tipo de compuesto similar al azúcar. El proceso implica una serie de reacciones químicas que forman el llamado Ciclo de Calvin las fases más importantes de este ciclo son: a) Fijación del dióxido de carbono. b) Síntesis de azúcares. c) Regeneración de la ribulosa - 1,5 - difosfato.

17 Fotosíntesis Factores que influyen en la actividad fotosintética En el rendimiento de la fotosíntesis influyen entre otros los siguientes factores: a) Intensidad luminosa: En general al aumentar la intensidad luminosa aumenta la actividad fotosintética. Además de la luminosidad influyen sobre la fotosíntesis el color de la luz y el tiempo diario de iluminación b) Concentración de CO2: La actividad fotosintética aumenta a medida que se incrementa la concentración de CO2, hasta llegar a un máximo en el que se estabiliza c) Temperatura: Como todo proceso metabólico la fotosíntesis se activa con el aumento de la temperatura, hasta llegar a un máximo, superado el cual se produce la desnaturalización de los enzimas con graves consecuencias par la planta d) Concentración de O2: Al aumentar la concentración de O2 baja el rendimiento de la fotosíntesis, debido al proceso de fotorrespiración.

18 Fotosíntesis Importancia biológica de la fotosíntesis: la fotosíntesis es seguramente el proceso bioquímico más importante de la biosfera por varios motivos: 1. La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los diferentes seres vivos. 2. Produce la transformación de la energía luminosa en energía química, necesaria y utilizada por los seres vivos 3. La respiración aeróbica es posible gracias a la liberación de oxígeno a la atmósfera como subproducto de la fotosíntesis.

19 Fotosíntesis 4. La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera primitiva, que era anaerobia y reductora y se hizo aerobia y oxidante. 5. De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. 6. El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin la fotosíntesis. 7.- La fotosíntesis es responsable de la retirada del CO2 atmosférico, principal gas causante del efecto invernadero.

20 Fotosíntesis Se puede concluir que la diversidad de la vida existente en la Tierra depende principalmente de la fotosíntesis; la cual probablemente es el proceso bioquímico más importante de la Biosfera, ya que la energía solar captada por los organismos fotosintéticos no sólo constituye su propia fuente de energía, sino que es además la fuente de energía de casi todos los organismos heterótrofos a los que les llega a través de las distintas cadenas alimentarias. Si no existiera la constante conversión de energía lumínica en energía química desaparecería toda la vida en la Tierra, ya que directa o indirectamente la mayor parte de los organismos no fotosintetizadores dependen de los que efectúan esta función para obtener el combustible que los mantiene vivos.

21 Fotosíntesis Se ha avanzado mucho, sobre todo en los últimos años, en cuanto al conocimiento de los procesos de la fotosíntesis, aunque todavía hay aspectos que no se conocen suficientemente. Si los químicos lograran reproducir la fotosíntesis por medios artificiales, se abriría la posibilidad de capturar energía solar a gran escala. En la actualidad se trabaja mucho en este tipo de investigación, pero todavía no se ha logrado sintetizar una molécula artificial que capte la energía solar y la transforme en energía química, pero las perspectivas son prometedoras.