¿Qué es la fotosíntesis?

La fotosíntesis es el proceso que utilizan las plantas, las algas y ciertas bacterias para aprovechar la energía de la luz solar y convertirla en energía química. Aquí, describimos los principios generales de la fotosíntesis y destacamos cómo los científicos están estudiando este proceso natural para ayudar a desarrollar combustibles limpios y fuentes de energía renovable.. 

Tipos de fotosíntesis

Hay dos tipos de procesos fotosintéticos: la fotosíntesis oxigenada y la fotosíntesis anoxigénica. Los principios generales de la fotosíntesis anoxigénica y oxigenica son muy similares, pero la fotosíntesis oxigenada es la más común y se observa en plantas, algas y cianobacterias.. 

Durante la fotosíntesis oxigénica, la energía luminosa transfiere electrones del agua (H₂O) a dióxido de carbono (CO₂), para producir carbohidratos. En esta transferencia, el CO₂ se "reduce" o recibe electrones, y el agua se "oxida" o pierde electrones. En última instancia, el oxígeno se produce junto con los carbohidratos..

La fotosíntesis oxigénica funciona como un contrapeso a la respiración al absorber el dióxido de carbono producido por todos los organismos respiratorios y reintroducir oxígeno a la atmósfera..

Por otro lado, la fotosíntesis anoxigénica utiliza donantes de electrones distintos del agua. El proceso generalmente ocurre en bacterias como las bacterias violetas y las bacterias verdes del azufre, que se encuentran principalmente en varios hábitats acuáticos..

"La fotosíntesis anoxigénica no produce oxígeno, de ahí el nombre", dijo David Baum, profesor de botánica en la Universidad de Wisconsin-Madison. "Lo que se produce depende del donante de electrones. Por ejemplo, muchas bacterias utilizan el gas sulfuro de hidrógeno que huele mal a huevos, produciendo azufre sólido como subproducto".

Aunque ambos tipos de fotosíntesis son asuntos complejos y de varios pasos, el proceso general se puede resumir perfectamente como una ecuación química..

La fotosíntesis oxigénica se escribe de la siguiente manera: 

6CO₂ + 12H₂O + Energía luminosa → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Aquí, seis moléculas de dióxido de carbono (CO₂) se combinan con 12 moléculas de agua (H₂O) utilizando energía luminosa. El resultado final es la formación de una sola molécula de carbohidrato (C₆H₁₂O₆, o glucosa) junto con seis moléculas cada una de oxígeno respirable y agua.

De manera similar, las diversas reacciones de fotosíntesis anoxigénicas se pueden representar como una fórmula generalizada única:

CO₂ + 2H₂A + Energía luminosa → [CH₂O] + 2A + H₂O

La letra A en la ecuación es una variable y H₂A representa el potencial donante de electrones. Por ejemplo, A puede representar azufre en el sulfuro de hidrógeno donador de electrones (H₂S), explicaron Govindjee y John Whitmarsh, biólogos de plantas de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en el libro "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers y Kluwer Academic, 1999).

El aparato fotosintético

Los siguientes son componentes celulares esenciales para la fotosíntesis.. 

Pigmentos

Los pigmentos son moléculas que otorgan color a las plantas, algas y bacterias, pero también son responsables de atrapar eficazmente la luz solar. Los pigmentos de diferentes colores absorben diferentes longitudes de onda de luz. A continuación se muestran los tres grupos principales.

• Clorofilas: estos pigmentos de color verde son capaces de atrapar la luz azul y roja. Las clorofilas tienen tres subtipos, denominados clorofila a, clorofila by clorofila c. Según Eugene Rabinowitch y Govindjee en su libro "Photosynthesis" (Wiley, 1969), la clorofila a se encuentra en todas las plantas que realizan la fotosíntesis. También existe una variante bacteriana llamada bacterioclorofila, que absorbe la luz infrarroja. Este pigmento se ve principalmente en bacterias moradas y verdes, que realizan la fotosíntesis anoxigénica..  
• Carotenoides: estos pigmentos de color rojo, naranja o amarillo absorben la luz verde azulada. Ejemplos de carotenoides son la xantofila (amarillo) y el caroteno (naranja) de los cuales las zanahorias obtienen su color..
• Ficobilinas: estos pigmentos rojos o azules absorben longitudes de onda de luz que no son tan bien absorbidas por las clorofilas y los carotenoides. Se ven en cianobacterias y algas rojas.. 

Plástidos

Los organismos eucariotas fotosintéticos contienen orgánulos llamados plástidos en su citoplasma. Los plástidos de doble membrana en las plantas y las algas se denominan plástidos primarios, mientras que la variedad de membranas múltiples que se encuentra en el plancton se denominan plástidos secundarios, según un artículo publicado en la revista Nature Education por Cheong Xin Chan y Debashish Bhattacharya, investigadores de la Universidad de Rutgers. en Nueva Jersey.

Los plástidos generalmente contienen pigmentos o pueden almacenar nutrientes. Los leucoplastos incoloros y no pigmentados almacenan grasas y almidón, mientras que los cromoplastos contienen carotenoides y los cloroplastos contienen clorofila, como se explica en el libro de Geoffrey Cooper, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).. 

La fotosíntesis ocurre en los cloroplastos; específicamente, en las regiones de grana y estroma. La grana es la porción más interna del orgánulo; una colección de membranas en forma de disco, apiladas en columnas como platos. Los discos individuales se denominan tilacoides. Es aquí donde tiene lugar la transferencia de electrones. Los espacios vacíos entre columnas de grana constituyen el estroma.   

Los cloroplastos son similares a las mitocondrias, los centros de energía de las células, en que tienen su propio genoma, o colección de genes, contenidos dentro del ADN circular. Estos genes codifican proteínas esenciales para el orgánulo y la fotosíntesis. Al igual que las mitocondrias, también se cree que los cloroplastos se originaron a partir de células bacterianas primitivas a través del proceso de endosimbiosis.. 

"Los plástidos se originaron a partir de bacterias fotosintéticas engullidas que fueron adquiridas por una célula eucariota unicelular hace más de mil millones de años", dijo Baum. Baum explicó que el análisis de los genes del cloroplasto muestra que alguna vez fue miembro del grupo de las cianobacterias, "el único grupo de bacterias que puede realizar la fotosíntesis oxigenada". 

En su artículo de 2010, Chan y Bhattacharya señalan que la formación de plastidios secundarios no puede explicarse bien por la endosimbiosis de las cianobacterias, y que los orígenes de esta clase de plastidios siguen siendo objeto de debate..

Antenas

Las moléculas de pigmento están asociadas con proteínas, lo que les permite la flexibilidad de moverse hacia la luz y entre sí. Una gran colección de 100 a 5.000 moléculas de pigmento constituye "antenas", según un artículo de Wim Vermaas, profesor de la Universidad Estatal de Arizona. Estas estructuras capturan eficazmente la energía luminosa del sol, en forma de fotones..

En última instancia, la energía de la luz debe transferirse a un complejo de pigmento-proteína que puede convertirla en energía química, en forma de electrones. En las plantas, por ejemplo, la energía luminosa se transfiere a los pigmentos de clorofila. La conversión en energía química se logra cuando un pigmento de clorofila expulsa un electrón, que luego puede pasar a un receptor apropiado.. 

Centros de reacción

Los pigmentos y las proteínas, que convierten la energía luminosa en energía química y comienzan el proceso de transferencia de electrones, se conocen como centros de reacción..

El proceso fotosintético

Las reacciones de la fotosíntesis de las plantas se dividen en aquellas que requieren la presencia de luz solar y las que no. Ambos tipos de reacciones tienen lugar en los cloroplastos: reacciones dependientes de la luz en el tilacoide y reacciones independientes de la luz en el estroma.. 

Reacciones dependientes de la luz (también llamadas reacciones de luz): cuando un fotón de luz golpea el centro de reacción, una molécula de pigmento como la clorofila libera un electrón.

"El truco para hacer un trabajo útil es evitar que ese electrón encuentre el camino de regreso a su hogar original", dijo Baum. "Esto no se evita fácilmente, porque la clorofila ahora tiene un 'agujero de electrones' que tiende a tirar de los electrones cercanos".

El electrón liberado logra escapar viajando a través de una cadena de transporte de electrones, que genera la energía necesaria para producir ATP (trifosfato de adenosina, una fuente de energía química para las células) y NADPH. El "agujero de electrones" en el pigmento de clorofila original se llena tomando un electrón del agua. Como resultado, se libera oxígeno a la atmósfera..

Reacciones independientes de la luz (también llamadas reacciones oscuras y conocidas como ciclo de Calvin): las reacciones luminosas producen ATP y NADPH, que son las ricas fuentes de energía que impulsan las reacciones oscuras. Tres pasos de reacción química componen el ciclo de Calvin: fijación, reducción y regeneración del carbono. Estas reacciones utilizan agua y catalizadores. Los átomos de carbono del dióxido de carbono son “fijo,” cuando se construyen en moléculas orgánicas que finalmente forman azúcares de tres carbonos. Estos azúcares se utilizan para producir glucosa o se reciclan para iniciar el ciclo de Calvin nuevamente.. 

Fotosíntesis en el futuro

Los organismos fotosintéticos son un medio posible para generar combustibles de combustión limpia como el hidrógeno o incluso el metano. Recientemente, un grupo de investigación de la Universidad de Turku en Finlandia, aprovechó la capacidad de las algas verdes para producir hidrógeno. Las algas verdes pueden producir hidrógeno durante unos segundos si primero se exponen a condiciones anaeróbicas oscuras (sin oxígeno) y luego se exponen a la luz.El equipo ideó una forma de extender la producción de hidrógeno de las algas verdes hasta tres días, como se informa en su Estudio de 2018 publicado en la revista Energy & Environmental Science.

Los científicos también han realizado avances en el campo de la fotosíntesis artificial. Por ejemplo, un grupo de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, desarrolló un sistema artificial para capturar dióxido de carbono usando nanocables, o cables que tienen unas mil millonésimas de metro de diámetro. Los cables alimentan un sistema de microbios que reducen el dióxido de carbono a combustibles o polímeros utilizando energía de la luz solar. El equipo publicó su diseño en 2015 en la revista Nano Letters..  

En 2016, miembros de este mismo grupo publicaron un estudio en la revista Science que describía otro sistema fotosintético artificial en el que se utilizaban bacterias especialmente diseñadas para crear combustibles líquidos utilizando luz solar, agua y dióxido de carbono. En general, las plantas solo pueden aprovechar alrededor del uno por ciento de la energía solar y usarla para producir compuestos orgánicos durante la fotosíntesis. Por el contrario, el sistema artificial de los investigadores pudo aprovechar el 10 por ciento de la energía solar para producir compuestos orgánicos..

La investigación continua de procesos naturales, como la fotosíntesis, ayuda a los científicos a desarrollar nuevas formas de utilizar diversas fuentes de energía renovable. Dado que la luz solar, las plantas y las bacterias son omnipresentes, aprovechar el poder de la fotosíntesis es un paso lógico para crear combustibles de combustión limpia y neutros en carbono..

Recursos adicionales:

• Universidad de California, Berkeley: pigmentos fotosintéticos
• Universidad Estatal de Arizona: Introducción a la fotosíntesis y sus aplicaciones
• Universidad de Illinois en Urbana-Champaign: ¿Qué es la fotosíntesis??