Fotosíntesis y respiración celular en plantas: proceso y factores

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¿Qué es la Fotosíntesis?

Es un proceso que se realiza en las células vegetales a partir de la energía luminosa, dióxido de carbono y agua para la elaboración de carbohidratos.

Ecuación de la fotosíntesis

CO2 + H2O (CH2O) + O2

Localización del proceso fotosintético

El proceso fotosintético se localiza en las hojas.

Cloroplastos

Son orgánulos subcelulares donde se encuentra todo el aparato biomolecular fotosintético.

Las biomembranas fotosintéticas son las membranas tilacoides y están organizadas en lamelas apiladas, granas, y en lamelas no apiladas, estromática.

  • Tilacoides: Forman un sistema intrincado de membranas tilacoidales que se pliegan dando doble membrana a modo de láminas paralelas más o menos separadas o apiladas.
  • Lamelas apiladas: Son tilacoides plegados formando esas láminas paralelas de doble membrana.
  • Lamela grana: Constituye apilamientos de numerosas láminas a modo de disco.
  • Lamela estromática: Son láminas simples más extensas que interconectan zonas de lamelas apiladas.

Los tilacoides separan dos espacios acuosos en el interior cloroplástico: estroma y el lumen.

  • Lumen: Las lamelas granas y estromática al estar hechas por doble membranas tilacoides plegadas dejando un espacio acuoso en su interior.
  • Estroma: Queda separado del espacio acuoso interno general del cloroplasto.

Fotosistemas I y II

Los Fotosistemas I y II son centros de reacción primaria que se localizan en los tilacoides (sacos membranosos de los cloroplastos) donde tiene lugar la conversión primaria de los fotones de luz solar en energía química. Los dos fotosistemas actúan coordinadamente. En cada uno de ellos hay un verdadero acto fotoquímico dependiente de la luz solar. En el PSI y II hay dos moléculas principales de clorofila, llamada diana. En el PSI la P700 que absorbe la máxima longitud de onda del espectro fotoeléctrico de la luz solar a los 700 nm (nanómetros), mientras que en el PSII la molécula de antena o centro de reacción primaria, la P680, absorbe la máxima longitud de onda a los 680 nm desencadenando ambas las reacciones dependientes de la luz solar (fotoionización de los pigmentos P700 / P680, fotólisis del agua, obtención de una fuente reductora (NADPH2), fotofosforilación).

Fase oscura: Fijación del CO2

La fase oscura se divide en tres etapas:

  • Carboxilativa: El CO2 se fija a una molécula de 5 carbonos, la ribulosa 1,5 difosfato, formándose un compuesto inestable de 6 carbonos, que se divide en dos moléculas de ácido 3 fosfoglicérico conocido también con las siglas de PGA.
  • Reductiva: El ácido 3 fosfoglicérico se reduce a gliceraldehído 3 fosfato, también conocido como PGAL, utilizándose ATP y NADPH.
  • Regenerativa Sintética: Las moléculas de gliceraldehído 3 fosfato formadas siguen diversas rutas. De cada seis moléculas, cinco se utilizan para regenerar la ribulosa 1,5 difosfato y hacer que el ciclo de Calvin pueda seguir, y una será empleada para poder sintetizar moléculas de glucosa (vía de las hexosas), ácidos grasos, aminoácidos, etc.; y en general todas las moléculas que necesita la célula.

Fotorrespiración

  • Respiración que depende de la luz detectable solo en las plantas C3.
  • No es un proceso mitocondrial, están involucrados 3 organelos: cloroplasto, peroxisoma y la mitocondria.
  • Se incrementa en la medida que la concentración de oxígeno aumenta ya que la enzima RUBISCO trabaja como oxigenasa.
  • Al aumentar las temperaturas se favorece más el proceso de fotorrespiración que el de fotosíntesis debido a que a medida que aumenta la temperatura la afinidad de la RUBISCO por el CO2 disminuye, pero se mantienen igual su afinidad por el O2.
  • Disminuye la eficiencia fotosintética por: Reduce el número de moléculas de ácido fosfoglicérico que potencialmente entrarían al ciclo de Calvin para producir azúcares y otros compuestos.

Consideraciones ecológicas en relación con los diferentes mecanismos de asimilación de CO2

  • Las plantas C4 tienen mayor capacidad de producción de materia orgánica que las C3 ya que no poseen fotorrespiración.
  • Las plantas C4 tienen mayor capacidad competitiva en climas cálidos y secos que las C3, ya que hacen un uso más eficiente del agua, tienen mayor capacidad fotosintética, menor dependencia térmica y no se saturan de luz.
  • Las plantas C3 son menos eficientes en condiciones de escaso suministro de agua pues los estomas se cierran y ellas no presentan un mecanismo concentrador de CO2 interno.
  • Las plantas C3 tienen ventajas sobre las C4 en climas fríos ya que sus temperaturas óptimas para crecimiento (20-25ºC) y fotosíntesis (15-25ºC) son menores que para las C4.
  • Las plantas C3 son más eficientes fotosintéticamente en lugares sombreados que las C4 pues su punto de compensación de luz es menor.

Factores externos que afectan la fotosíntesis

Intensidad de luz, temperatura, concentración de CO2, concentración de O2, disponibilidad de agua.

Factores internos que afectan la fotosíntesis

Mecanismo de asimilación del CO2, área foliar, edad de la planta y de la hoja, estado nutricional, grado de hidratación.

La respiración celular en plantas

La respiración celular consiste en una serie de procesos por los cuales los carbohidratos y otras moléculas orgánicas son oxidadas, con la finalidad de obtener energía (almacenada durante la fotosíntesis) y esqueletos de carbono, para ser usados en el crecimiento y mantenimiento de la célula.

Importancia de la respiración

  • Producción de energía metabólica.
  • Producción de esqueletos de carbono para síntesis de nuevos compuestos (mantenimiento y crecimiento).

Reacción simplificada de la respiración

C6H12O6 + 6O2 + 6H2O 6CO2 + 12 H2O

Mecanismos de la respiración en las plantas

Dos mecanismos:

  • Respiración celular: Producción de CO2 por catabolismo de la glucosa. Puede ser aeróbica o anaeróbica.
  • Fotorrespiración: Producción de CO2 en presencia de luz: Ruta del glicolato.

Tipos de respiración celular

  • Respiración aeróbica: Hace uso del O2 como aceptor último de los electrones desprendidos de las sustancias orgánicas oxidadas.
  • Respiración anaeróbica: No interviene el oxígeno, sino que se emplean otros aceptores finales de electrones, muy variados, generalmente minerales y, a menudo, subproductos del metabolismo de otros organismos.

Sustratos respiratorios

Glucosa (azúcares), lípidos, ácidos orgánicos, y en menor proporción proteínas.

Dependiendo de la especie, órgano y del estado de desarrollo.

Principales sustratos de la respiración celular

Imagen

Etapas de la respiración

En las células eucariotas la respiración se realiza en las mitocondrias y ocurre en tres etapas:

1. Oxidación del piruvato

No se utiliza oxígeno, ni se libera CO2.

Funciones

  • Se sintetizan los sustratos del ciclo de Krebs.
  • Producción de energía metabólica (2 a 3 moléculas netas de ATP).
  • Provee sustratos precursores para la síntesis de otros compuestos:
    • Componentes de la pared celular (celulosa, polímeros).
    • Grasas, aceites y fosfolípidos.
    • Aminoácidos para la formación de proteínas.

2. Ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo de Krebs)

  • Se da en condiciones de aerobiosis.
  • Ocurre en la mitocondria.
  • El ácido pirúvico se convierte en Acetil CoA (paso previo).
  • Formaciones posteriores de ácidos orgánicos. Procesos descarboxilativos.

Funciones

  • Producción de donadores de electrones (NADH).
  • Producción de energía metabólica (ATP).
  • Se libera CO2.
  • Formación de esqueletos de carbono.
    • Precursores de la clorofila, citocromos, fitocromo, aminoácidos para la formación de proteínas, ácidos nucleicos, alcaloides, hormonas.

3. Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa del ADP a ATP

  • Se da en condiciones de aerobiosis (O2 aceptor final).
  • Ocurre en la membrana interna mitocondrial.
  • Reacciones de oxidorreducción para formar ATP.
  • Se forma agua como producto final.

Ciclo de las pentosas fosfato

  • Ruta alterna a la glucólisis para la obtención de energía. Los intermediarios son azúcares de 5 carbonos.
  • Ocurre en el citoplasma.
  • El aceptor de electrones es el NADP.

Funciones

  • Producción de NADPH, que se utiliza para la síntesis de lípidos, esteroides y aminoácidos y para la formación de esqueletos de carbono.
  • Conversión de hexosas a pentosas (Ribosa-5-fosfato) utilizada para la síntesis de ácidos nucleicos (ARN y ADN).
  • Producción de precursores de lignina y otros compuestos aromáticos.

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