De la fotosíntesis depende la vida en nuestro planeta. Los cloroplastos de las plantas absorben la energía de la luz solar y la convierten en energía química que es almacenada en azúcares y otras biomoléculas orgánicas. La fotosíntesis es un proceso anabólico mediante el cual se producen biomoléculas orgánicas a partir de CO2 y H2O.
Todas las células fotosintetizadoras, a excepción de bacterias y cianobacterias, tienen cloroplastos. En estos orgánulos están presentes las moléculas de las clorofilas.
En general, cuando una molécula absorbe luz, sus electrones son impulsados a un nivel energético superior. Sin embargo, en algunas moléculas como la clorofila, cuando absorben energía sus electrones son excitados y pueden cederse fácilmente a un aceptor.
Los electrones excitados son recogidos por proteínas transportadoras; la vuelta de los protones al estroma se acopla a la síntesis de ATP a partir de ADP y ácido fosfórico, de forma similar a lo que ocurre en las crestas mitocondriales durante la respiración celular. Este proceso de formación de ATP, impulsado por la luz, se denomina fotofosforilación o fosforilación fotosintética.
Al final del transporte electrónico puede producirse la reducción del nucleótido NADP+.
El ATP y el NADPH formados de esta manera, pueden utilizarse en las reacciones químicas necesarias para reducir el dióxido de carbono y obtener biomoléculas orgánicas. La fotosíntesis se considera como un proceso de dos fases diferentes, cada una de las cuales tiene sus reacciones químicas características. Así, todo el proceso de excitación electrónica de la clorofila y obtención del ATP y NADPH constituye la fase fotoquímica o fase luminosa.
La segunda etapa de la fotosíntesis es la fase oscura, cuyo eslabón principal es la reducción del CO2 atmosférico y su incorporación a las cadenas carbonadas de las biomoléculas.
Fase Luminosa de la Fotosíntesis
En esta fase tiene lugar la siguiente reacción global de oxidación-reducción:
H2O + NADP+ — 1/2 O2 + NADPH + H+
La energía necesaria para esta reacción la aporta la luz. La clorofila es la sustancia encargada de transformar la energía luminosa en energía química.
Los Fotosistemas: Estructura y Función
En las membranas tilacoidales de los cloroplastos se encuentran los denominados fotosistemas, formados por moléculas de clorofilas y carotenoides, junto con moléculas transportadoras de electrones. En cada fotosistema los pigmentos están distribuidos de manera que actúan como antenas o colectores, absorbiendo la energía luminosa y transmitiéndola al llamado centro de reacción, que contiene una molécula especial de clorofila. Existen dos tipos de fotosistemas, el fotosistema 1 (FS 1) y el fotosistema II (FS II).
Cuando la energía luminosa captada por los pigmentos, llega a la molécula especial de clorofila a del fotosistema 1, ésta se excita y cede electrones a una molécula transportadora de electrones, que a su vez los transfiere a otra. Se inicia así una cadena de transporte electrónico que termina cuando los electrones son transferidos al NADP+, que se reduce así a NADPH.
En el FS II, cuando la molécula especial de clorofila a del centro de reacción es excitada por la luz, se oxida cediendo electrones a un transportador electrónico que a su vez los transfiere a otro. Se produce así una cadena de transporte electrónico que finaliza cuando los electrones son recuperados por la clorofila del FS 1. Los electrones que tiene que recuperar proceden del agua.
Fosforilación No Cíclica
El mecanismo de la fotofosforilación es muy semejante al de la fosforilación oxidativa mitocondrial y se explica también mediante la teoría quimiosmótica.
La transferencia de electrones desde el agua hasta el NADP+ implica dos pasos en los que se absorbe la energía de la luz. Pero durante el transporte electrónico entre el FS II y el FS 1, parte de la energía que pierden los electrones se utiliza para bombear protones, en contra de gradiente, desde el estroma al espacio tilacoidal. Cuando los protones vuelven al estroma a favor de su gradiente lo hacen a través de las ATP-sintasas lo que da como resultado la síntesis de ATP:
ADP + Pi — ATP
Este proceso de síntesis de ATP recibe el nombre de fotofosforilación. Se denomina no cíclica ya que el flujo de los electrones que la produce no es cíclico, en oposición a otro proceso que estudiaremos a continuación.
En resumen, la energía de la luz se emplea en la fotosíntesis para generar NADPH y ATP, que se requieren para la reducción del CO2 en el ciclo de Calvin (reacciones de la fase oscura).