AGUA, CO2, y SOL IGUAL A FOTOSÍNTESIS

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DC. Héctor Eduardo Martínez Flores

DC. José Octavio Rodiles López

DCE. Rafael Zamora Vega

QFB. UMSNH

La fotosíntesis es un proceso bioquímico donde ciertos organismos obtienen energía del sol para posteriormente usarla para producir compuestos orgánicos. Esta la realizan todas las plantas, algas y bacterias tipo fotosintéticas.

La bioquímica nos dice que existen dos tipos de rutas metabólicas, las catabólicas y las anabólicas, y entendiéndose como ruta metabólica todas las reacciones químicas que suceden en los seres vivos y que son mediadas por enzimas, que son catalizadores biológicos, es decir, guían y aceleran las reacciones de todas las células. En las rutas catabólicas, las moléculas grandes son degradadas a pequeñas y se genera energía. Así, los carbohidratos son degradados a monosacáridos, azúcares simples, las proteínas a aminoácidos, y los lípidos a ácidos grasos. Por otro lado, las rutas anabólicas construyen moléculas complejas a partir de ladrillos y necesitan energía; así los aminoácidos sirven para construir proteínas, los ácidos grasos hacen lípidos, y los azúcares simples construyen carbohidratos complejos. Por ejemplo, la formación de almidón en las plantas se hace con ladrillos de glucosa, es decir, es una ruta anabólica y necesita energía. Normalmente las rutas muy complejas se forman de una parte catabólica y una anabólica, como la fotosíntesis.

Los organismos que usan la fotosíntesis como ruta metabólica se les llama autótrofos, ya que no necesitan de otros organismos para sintetizas sus compuestos. Por otro lado, los organismos heterótrofos requieren de otros seres vivos para poder sobrevivir, e incluye bacterias no fotosintéticas, protozoarios, hongos y animales.

Siempre nos han dicho que la fotosíntesis necesita luz solar, y es verdad, pero este proceso se realiza de manera completa en dos etapas, llamadas fases I y II. En la fase I es indispensable la luz solar, y es llamada como fase luminosa, mientras que en la fase II no necesita luz solar y es conocida como fase oscura. El proceso completo implica el uso de agua y el gas dióxido de carbono, CO₂, para producir azúcares, es decir, moléculas orgánicas, y usando la energía solar como fuente de energía. La energía solar es transformada a energía química, formando un compuesto llamado ATP, adenosín trifosfato. Todos los seres vivos, desde una bacteria hasta una ballena, incluyendo al ser humano, utilizan el ATP como la molécula energética.

La palabra fotosíntesis viene del griego foto que significa luz y synthesis que se refiere a formar algo más complejo. La vida en este planeta depende en su gran mayoría de la fotosíntesis. Las plantas la usan para fabricar sus nutrientes, y después los demás seres vivos se alimentan de plantas. Así mismo, la fotosíntesis genera oxígeno, que utilizarán los hongos, animales, incluyendo al ser humano, para sobrevivir por medio de la respiración. De hecho es un ciclo vital en este planeta, las plantas usan agua y dióxido de carbono para producir oxígeno, mientras que animales y hongos usan oxígeno para generar agua y CO₂. El gran problema actual a nivel ecológico es que el ser humano genera mayores cantidades de CO₂ por las actividades industriales, y las plantas y algas no tienen la capacidad de manejar tanto CO₂ y convertirlo en oxígeno, además de que el exceso de CO₂ aumenta la temperatura de la tierra, calentamiento global. Cabe señalar que existen rutas fotosintéticas que no generan oxígeno, llamadas anoxigénicas, pero solo se presentan en cierto tipo de bacterias y nunca en plantas y algas.

La fotosíntesis en plantas y algas se realiza en una parte muy especial de sus células, los cloroplastos, que contienen una molécula especifica, la clorofila. Esta última produce el color verde característico de plantas y algas; bioquímicamente la clorofila es considerada como un pigmento. La concentración de cloroplastos varía en las diferentes partes de una planta, presentándose en mayor cantidad en las hojas, y estos poseen un conjunto de proteínas y enzimas que permiten utilizar la luz solar como vehículo para obtener energía final como ATP. Las bacterias fotosintéticas no contienen cloroplastos y la fotosíntesis la realizan en su propia membrana celular.

La reacción química de la fotosíntesis es muy simple, CO₂ más agua igual a carbohidratos y oxígeno, y mediada por la clorofila. Se dice que 6 moléculas de CO₂ reacciona con 6 moléculas de agua para producir una molécula de glucosa y 6 moléculas de oxígeno. Sin embargo, el proceso bioquímico completo es muy complejo e involucra muchas reacciones químicas.

En la fase luminosa de la fotosíntesis se usa la luz solar y en la fase oscura no es necesario, pero no significa que se haga en la noche, ya que ésta última se hacer durante todo el día.

En la fase luminosa la luz solar es convertida en ATP. La clorofila recibe la luz solar y genera un flujo de electrones, similar a la electricidad, y que sirve para producir dos moléculas energéticas, ATP y NADPH. La clorofila necesita de agua para poder mantener el flujo de electrones, reacción conocida como fotólisis. El agua que se usó para mantener el sistema genera oxígeno como subproducto. Así, la planta necesita agua y genera oxígeno.

En la fase oscura ya no se necesita de luz solar y no interviene la clorofila. Esta se realiza en una parte del cloroplasto, el estroma, y se basa en capturar el CO₂ de la atmósfera y usar el ATP para producir sustancias orgánicas. La primera sustancia en producir es glucosa, y posteriormente se sintetizan otras moléculas. El proceso bioquímico de síntesis es llamado Ciclo de Calvin, y como su nombre lo dice, es un proceso cíclico, donde entran ciertas sustancias y salen otras. Este ciclo necesita constantemente ATP, NADPH, y utiliza una serie de enzimas. La captación de CO₂ es llamada fijación del carbono. Recordemos que toda la vida en este planeta se basa en el carbono como elemento primordial. Por otro lado, el CO₂ es tóxico para los animales y morirían si sobrepasa ciertos niveles, y siendo las plantas los reguladores del CO₂ en la atmósfera. El ciclo Calvin fue descubierto por Melvin Calvin, James Bassham y Andrew Benson, quienes recibieron el premio Nobel en 1961.

En general el Ciclo de Calvin se realiza en tres etapas: fijación, reducción y regeneración del carbono. En la primera etapa el CO₂ de la atmósfera entra al ciclo y en las siguientes etapas se forma una molécula de glucosa, 6 carbonos, por lo que se deben completar 6 vueltas del ciclo para generar una glucosa. Por otro lado, el mismo ciclo produce ATP, que será utilizado para sintetizar sustancias más complejas ya fuera del ciclo, por ejemplo, la síntesis de almidón a partir de glucosas.

Se dice que las plantas realizan el proceso completo en cuatro fases: absorción, circulación, fotosíntesis, y crecimiento. En la absorción las plantas captan agua y minerales, principalmente en sus raíces. Después, en la circulación, el agua y minerales son movidos hacia las otras partes de la planta, principalmente hacia las hojas, que poseen la mayor cantidad de cloroplastos. En la fotosíntesis se dan las fases luminosa y oscura, y finalmente, los nutrientes generados se usan como alimento. El vegetal usa los carbohidratos de la fotosíntesis para alimentarse y generar más moleculas orgánicas que le ayudarán a su crecimiento. Cabe señalar que las algas, ya sean macroscópicas o microscópicas, no necesitan raíces, ya que son acuáticas y tienen agua en suficiente cantidad, mientras que las plantas si las necesitan para captar agua. La mayor parte del oxígeno en la tierra proviene de la fotosíntesis de microalgas y bacterias marinas, 85%, y las algas son conocidas como fitoplancton.

La clorofila es un pigmento que se caracteriza por poseer magnesio, y genera un color verde. Las plantas necesitan de temperaturas cálidas y luz solar para sintetizar clorofila. Cuando se deja de producir clorofila se manifiestan otros pigmentos, esto explica porque las hojas de ciertas plantas cambian de color a través del año, generando colores naranja y marrones. Existen diferentes tipos de clorofilas, A, B, C, D, y F. Las clorofilas A se encuentran en plantas y algas y producen colores verdes y son los principales agentes fotosintéticos. La tipo B aumenta la captación de luz solar y se haya en plantas y algas. La C solo se encuentra en algas y genera un color marrón rojizo. Las clorofilas D y F generan colores rojos y se encuentran en algas y bacterias.

Por otro lado, las plantas necesitan minerales para su sobrevivencia. La ausencia o exceso de los mismos pueden generar enfermedades en las mismas. Se habla de primarios, secundarios y micronutrientes. Los primarios se necesitan en grandes cantidades, y los micronutrientes en muy pequeñas cantidades. Dentro de los primeros tenemos nitrógeno, fósforo y potasio, el famoso NKP. En los secundarios tenemos calcio, magnesio y azufre, y en los elementos traza al fierro, cobre, zinc, cloro, manganeso, molibdeno y boro.

El nitrógeno se usa para construir los aminoácidos de la planta, y con ello fabricar sus proteínas. Este puede provenir de materia orgánica o inorgánica; la primera es aportada por fertilizantes orgánicos, composta, y la segunda en forma de sales. Cabe mencionar que las plantas tipo leguminosas pueden absorber el nitrógeno de la atmósfera, pero no es la planta como tal, sino ciertos microorganismos, las llamadas bacterias fijadoras de nitrógeno, que se hayan en sus raíces y son encargadas de asimilar el nitrógeno, y posteriormente la planta lo absorbe. El nitrógeno también puede provenir del agua de riego o la lluvia.

El potasio es el mineral que más absorben las plantas después del nitrógeno. A mayor cantidad de potasio mejor fotosíntesis, ya que se absorbe mejor el CO₂ atmosférico, es decir, aumenta la eficiencia del ciclo de Calvin. Este mineral también ayuda a mover nutrientes, por ejemplo, el almidón a los órganos de reserva. Así mismo, forma parte en los procesos de absorción de agua en las raíces.

El fósforo se usa principalmente para la elaborar la molécula de ATP, esencial para generar energía celular. También ayuda a la correcta maduración de la planta ya que es parte del ciclo de la división celular y aumento de la masa celular, que forman parte del crecimiento de la misma, y la formación de raíces y flores. Este también ayuda a la resistencia de las plantas en temporadas frías y a enfermedades.

El calcio ayuda a dar cuerpo a la planta, principalmente en hojas, y ayuda al transporte de otros minerales, así como al crecimiento de semillas y frutos, retardando los procesos de envejecimiento. El magnesio es esencial para la funcionalidad de los cloroplastos y forma parte de la clorofila, y también modula el crecimiento de la planta. El azufre es parte de muchas de las proteínas vegetales y en la formación de la clorofila y desarrollo de las raíces.

El hierro es esencial para formar la clorofila; el cobre forma parte de muchas enzimas y es necesario para que estas puedan trabajar, y ayuda a una mejor función de ciertas proteínas; el zinc forma parte de ciertas hormonas vegetales que regulan el crecimiento de la planta; el manganeso ayuda tanto a la síntesis de clorofila como al metabolismo de proteínas y carbohidratos; el molibdeno es esencial para las plantas que fijan el nitrógeno atmosférico; y el boro ayuda al metabolismo de carbohidratos y desarrollo de semillas y frutos.

Recapitulando, las plantas necesitan agua, CO₂, minerales y luz solar para realizar fotosíntesis. En su primera fase, la planta usa agua y luz solar para generar energía en forma de moléculas químicas, ATP, y en la segunda fase se capta el CO₂ de la atmósfera para generar carbohidratos y usando el ATP de la fase luminosa. Los minerales terminan por ayudar a la planta a realizar sus procesos de vida. Cada tipo de planta presentará su propia eficiencia de fotosíntesis, y que dependerá del tipo de suelo, ya que cada uno posee su propio perfil de minerales; suministro de agua, ya sea lluvia o de riego; y la época del año, que implica las variaciones de la luz solar.