La FOTOSÍNTESIS

Hola amigos, welcome back a un nuevo hilo de Biología Forocochera . Ya sabéis, esos hilos donde me atrevo a explicar conceptos de biología, por muy avanzados que sean, a un nivel para dummies y tirando del Paint . También son hilos en los que me ofrezco como biólogo (con la suerte de no trabajar en un McDonald’s) a responder preguntas sobre el tema. Evidentemente no voy a ser ningún experto en todos los campos de la biología, que son muchísimos y muy variados, pero a las malas os podré ayudar a buscar información fiable.

Aunque lo que os llama más la atención en general son los hilos relacionados directamente con el ser humano (como el de los efectos del alcohol en nuestro cuerpo o la explicación para dummies del SIDA ), no puedo contener mi lado más naturalista y salpico los hilos con algunos temas de biología animal, evolución… (aún estoy esperando a que algún shurmano suba fotos de su disección de mejillón siguiendo la guía que os propuse e identificando los órganos).

Hoy me decido a intentar explicar el proceso bioquímico más importante de la historia de la vida en la Tierra , y lo voy a hacer desde una visión botánica general, grosso modo, hasta conceptos avanzados de biología molecular y ecológica camuflados en un escudo dummy . Estoy hablando de explicar a un nivel asequible para todos el proceso bioquímico que todo el mundo ha escuchado alguna vez: la FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA . A unos le sonará a clorofila, a otros a política de Trump, a otros a la época de los dinosaurios … Aquí un servidor os cuenta de qué va esto de la fotosíntesis.

AVISO: Tochazo inside! Leer con calma:

Para empezar os cuento algo de ecología . Sabed que todos los organismos que existen, desde los microscópicos hasta los más grandes, viven en una continua interacción con el ambiente en el que se encuentran. El ambiente (clima, medio físico) al final condiciona los tipos de comunidades de poblaciones vivas que van a habitar en él y esto es lo que nos permite hablar de los distintos ecosistemas de nuestro planeta (manantiales, tundras, océanos, glaciares, selvas…). En conjunto forman la parte viva de nuestro planeta (la biosfera ), que también interacciona con las partes físicas a su nivel (hidrosfera, atmósfera y geosfera). Es como si la Tierra fuera una rebanada de pan Bimbo que dejas olvidada, y el mismo material del pan (geo-), con la humedad (hidros-) y el clima (atmos-) adecuados hacen que sea posible que se infeste de vida, y la ves como coloridas comunidades que crecen por parches, compitiendo unas con otras por el mismo trozo de pan.

Lo que pasa a todos los niveles (como en la rebanada de pan, un charco, en el desierto del Sáhara, nuestros intestinos, en la cazuela con potaje que lleva una semana en el fregadero…) es algo muy simple desde el punto de vista físico: la parte viva y la parte física comparten materia y energía . Para los que andáis flojos flojos quedaros con que energía es el potencial o la posibilidad de un sistema (orgánulo, célula, órgano, individuo, población…) para producir algún cambio de cualquier tipo (químico, mecánico, eléctrico…). Para que algo se mantenga vivo es necesario un continuo consumo de energía que se usa para forzar a sus estructuras a mantenerse alejadas del equilibrio (termodinámico) al que tienden. Cuando algo está en equilibrio con su ambiente es que está muerto , eso no se menea de como está porque esa configuración es la más lógica en ese momento, a la que el sistema tiende; nosotros nos mantenemos vivos acoplando y acoplando reacciones que nos mantengan luchando contra ese camino hasta el equilibrio. Y para tener esto, todos los organismos vivos necesitamos tres cosas: (1) energía para poder hacer transformaciones, (2) carbono porque es el ladrillo químicamente perfecto para construir muros de estructuras vivas y (3) poder reductor , que sería la mano de obra que físicamente pone y quita ladrillos para hacer el muro.
El metabolismo que mantiene vivo un organismo está compuesto en realidad por ciclos de moléculas especiales que transportan energía y poder reductor dentro de las células para poder crear, romper y transformar otras moléculas según interese a la célula.

Dependiendo de la estrategia que se use para hacer esas tres cosas, los organismos se clasifican en diferentes grupos ecológicos:

1. Según su fuente de energía:
a. Usan la energía lumínica para poner en marcha su metabolismo: organismos fotótrofos
b. Usan la energía que se libera al romper enlaces químicos : organismos quimiótrofos

2. Según su fuente de carbono:
a. Capaces de formar sus propias estructuras a partir de carbono inorgánico (CO2): organismos autótrofos
b. Necesitan de la materia orgánica (típica de lo que está vivo, contiene carbono) ya formada por otros para adaptarla y transformarla en sus propias estructuras: organismos heterótrofos

3. Según su fuente de poder reductor:
a. Utilizan como mano de obra electrones de compuestos orgánicos : organismos organótrofos
b. Utilizan como mano de obra electrones de compuestos inorgánicos : organismos litótrofos

Bueno, vamos a lo que vamos!
La FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA la realizan las cianobacterias , las algas eucariotas y las plantas . Son organismos fotolitoautótrofos , es decir, que usan la luz como energía y el agua como donador inorgánico de electrones para formar ellas mismas a partir del carbono inorgánico en forma de CO2 los compuestos orgánicos que necesitan, saliendo como residuo el oxígeno.

Lo que tienen en común los organismos que hacen la fotosíntesis son unas pelotitas verdes en el interior de sus células que se llaman cloroplastos .

Si los miráramos por dentro veríamos que los cloroplastos son como unos discos con doble pared que contiene en su interior unas membranitas que se apilan por zonas (entre otras cosas). El espacio interno se llama estroma , y esas membranitas se llaman tilacoides , y son sitios en los que ocurrirán distintas partes de la fotosíntesis.

La fotosíntesis tiene dos partes: la fase luminosa y la fase oscura . En la primera se usa la energía de los fotones de la luz para obtener energía química y poder reductor; en la segunda, se usa esta energía química y poder reductor para sintetizar los nutrientes que necesitan. Metámonos en un cloroplasto y os comento cómo lo hace paso por paso:

A) FASE LUMINOSA

1. Absorción de la luz: en los tilacoides de los cloroplastos hay unas antenas hechas de moléculas capaces de excitarse cuando contra ellas chocan fotones. Las antenas forman parte de unos complejos muy tochos que se llaman fotosistemas (que los hay de dos tipos). Las antenas son los fotorreceptores y el más abundante y famoso es la clorofila a . La clorofila, como los demás pigmentos , absorbe luz porque su estructura es cíclica y contiene muchos dobles enlaces alternados (en química se dice que son dobles enlaces conjugados ), y cuando un fotón impacta hace que los electrones de esos dobles enlaces pasen a un nivel energético superior ( vibran con más frecuencia) y tienden a contagiar el estado de los electrones cercanos como cuando pones péndulos con frecuencias distintas y al final adquieren una única (en química esto se llama resonancia ). Esto lo que hace al final es canalizar esta energía (por ahora cinética) hacia un centro de reacción (los fotorreceptores no están dispuestos de cualquier manera, sino para orientar la energía hacia un lugar concreto). Esto ocurre un un tiempo máximo de 10^(-10) segundos.

  1. Transporte electrónico: el primer fotosistema que actúa en la fotosíntesis es el fotosistema II , y tiene un sitio de unión a la molécula de agua (H2O). Cuando chocan los fotones de luz y las antenas lo reciben, el fotosistema II excitado rompe la molécula de agua, liberando electrones , protones y oxígeno (la fotosíntesis apareció en un principio, y durante 3 mil millones de años ha ido contaminando el aire con el oxígeno necesario para que nosotros estemos ahora aquí). Los electrones arrancados del agua, van pasando por una serie de proteínas dispuestas en orden . Éstas toman los electrones, se excitan y lo pasan a la siguiente. Al excitarse muchas de estas proteínas liberan protones que se van acumulando dentro de la membrana tilacoidal (junto con los que se van arrancando del agua). Los electrones al final de la cadena llegan a otro fotosistema, el fotosistema I , con sus antenas propias también. Al excitarse el fotosistema I, vuelta a lo mismo: los electrones siguen otra cadena de proteinas que se van pasando la patata hasta un aceptor final, que es una molécula llamada NADP+ . Cada electrón permite que una molécula de NADP+ capte un protón del estroma y se forme NADPH . Éste, señores, es el poder reductor que necesitábamos. Ahora queda saber cuál es la molécula que representa la energía química.

3. Fotofosforilación oxidativa: todos los protones que se están acumulando conforme los electrones pasan del fotosistema II al I por la cadena de proteínas van a crear un potencial electroquímico . Es decir, dentro de la membrana del tilacoide hay muchos porque se están acumulando sin parar, y fuera en el estroma hay pocos. Los protones tienen carga positiva , y esta diferencia de cargas eléctricas y concentración de la sustancia química en sí crea ese potencial (porque tienden a equilibrarse pero están separados por una membrana). La membrana del tilacoide aprovecha esta tendencia que tienen los protones a salir hacia fuera haciéndolos pasar por unos complejos por donde se les permite, llamados ATPsintasas . La energía liberada al saciarse este desequilibro se usa para unir un grupo fosfato a la molécula de ADP , formando otra molécula que se llama ATP . Ésta es la forma en la que se presenta la energía en la célula. Es como la moneda que se usa para casi todo lo que cueste energía.

OK, ya tenemos energía y poder reductor. Ahora las plantas van a formar las moléculas que necesiten sin tener que usar más la luz.

B) FASE OSCURA

1. Ciclo de Calvin: llegó la hora de presentaros a la proteína más abundante del planeta: la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa (RuBisCO para los amigos). En el estroma de los cloroplastos, la RuBisCO coge una molécula de cinco átomos de carbono (la ribulosa-1,5-bisfosfato) y le une una molécula de CO2 . Esto resulta en una molécula de ahora seis átomos de carbono que en presencia de agua rápidamente se parte en dos moléculas iguales de tres átomos de carbono llamadas cada una 3-fosfoglicerato , para las cuales se va a necesitar energía en forma de ATP y poder reductor en forma de NADPH para formar dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato , que es muy importante porque es el precursor de muchísimos componentes (almidón, glucosa, fructosa, sacarosa, ácidos grasos, aminoácidos…). El ciclo de Calvin se llama ciclo porque parte de ese gliceraldehído-3-fosfato va a ser usado para dar de nuevo ribulosa-1,5-bisfosfato y empezar de nuevo todo el tinglado.

2. Fotorrespiración: la RuBisCO tiene de apellido -oxigenasa porque además de fijar carbono también fija oxígeno . Es más, tiene mejor afinidad por el O2 que por el CO2. Aquí lo que pasa es que cuando la RuBisCO une O2 a la ribulosa-1,5-bisfosfato, en vez de crear al final dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato lo que crea es una molécula de 3-fosfoglicerato (que entrará en el ciclo de Calvin) y otra molécula de 2-fosfoglicolato . Ésta perderá el grupo fosfato quedándose en glicolato , que escapa del cloroplasto y llega a otros compartimentos de la célula donde la van a usar resultando en la liberación de CO2 de nuevo. Por esto se dice que por las noches las plantas pueden quitarte el oxígeno (respiran igual que nosotros).
Un dato curioso es que la velocidad de fotorrespiración aumenta con la temperatura y disminuye con la concentración de CO2 en el ambiente. Debido a esto, en los días calurosos y luminosos la fotorrespiración es en realidad una auténtica pérdida de energía para la mayoría de las plantas (llamadas plantas C3 ). Las plantas típicas de ambientes tropicales se han adaptado a esos climas problemáticos desarrollando un mecanismo para encerrar el CO2 en sus células ( plantas C4 ). Las plantas de los desiertos han ido incluso un paso más allá y han desarrollado otro mecanismo para hacerlo todo al revés : ya que hace tanta calor, absorber el CO2 por la noche y liberarlo por el día ( plantas CAM ).

Bueno gente, vaya tostón eh!?
Originalmente escrito por Seppuku.