Actividades de fijación.

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Rendimiento fotosintético

El rendimiento de la actividad fotosintética es influenciado por varios factores. Los más importantes son:
- Intensidad luminosa: En general, a mayor intensidad luminosa, mayor actividad fotosintética. Pero, cada especie está adaptada a unos niveles de iluminación óptima, de intensidad variable. Si se superan esos niveles, se llega a la saturación lumínica e, incluso, podrían deteriorarse los pigmentos fotosintéticos.
-Color de la luz: el mejor es el que absorbe (y no refleja) la clorofila.
- Temperatura: Como norma general, a mayor temperatura, mayor actividad fotosintética, hasta que se llega a un máximo, superado el cual se pueden desnaturalizar algunas enzimas. La temperatura óptima variará de unas especies a otras.
- Concentración de CO2: A mayor concentración de CO2 mayor actividad fotosintética, hasta que se llega a un punto en el que se estabiliza.
- Concentración de O2: Al aumentar la concentración de O2 baja el rendimiento de la fotosíntesis debido a la fotorrespiración.

Energía y Nutrición

El mundo orgánico que nos rodea está en continuo movimiento y transformación. Si recordamos los conocimientos adquiridos en Física, sabremos que todo movimiento necesita energía para llevarse a cabo; por tanto, los seres vivos no escapamos a ese principio: necesitamos la energía para poder desarrollarnos y reproducirnos, movimientos básicos de todo
organismo vivo.
Podríamos preguntarnos cómo los organismos adquieren la energía que necesitan para vivir. Pues, a través del fenómeno de la nutrición, el cual permite obtener primordialmente la energía química contenida en los enlaces de distintos compuestos químicos del ambiente.
Con estas sustancias energéticas y con otras que intervienen en la formación de estructuras, los organismos pueden sintetizar sus propias sustancias, reparar daños sufridos, crecer y reproducirse.
Entonces podríamos también preguntarnos: ¿Todos los organismos se nutren de igual forma? ¿Cuál es la fuente primaria de energía que usan en la alimentación? Sobre la base de este criterio, existen organismos autótrofos y heterótrofos. Los autótrofos sintetizan sus propias sustancias a partir de elementos inorgánicos, tales como luz, minerales del suelo, dióxido de carbono (CO2), agua (H2O), de ahí que no dependan de otros organismos para su nutrición.

Dentro de los organismos autótrofos, la diferencia radica principalmente en la fuente de energía que utilizan: pueden emplear la luz del Sol (plantas verdes u otros organismos que posean clorofila), por lo que son llamados fotosintetizadores o fototróficos; o la oxidación de sustancias inorgánicas (bacterias sulfurosas, férricas, nitrificantes, etc.); estos últimos reciben el nombre de quimiosintetizadores o quimiotróficos.
Todos los organismos autótrofos fotosintetizadores utilizan la luz solar como fuente de energía gracias a la clorofila, pigmento que absorbe y convierte una parte determinada del espectro de la energía luminosa de la luz solar en energía química, a través de varios procesos intermedios: degradación del agua en oxígeno e hidrógeno, eliminación del oxígeno en su forma molecular (O2) y la unión del agua con el CO2, con la posterior formación de carbohidratos. Estos compuestos se almacenan para sintetizar, en el momento requerido, proteínas y otras sustancias, utilizando para ello las sales inorgánicas obtenidas del ambiente (Fig. 1).


Fig. 1. Nutrición autótrofa fototrófica o fotosintetizadora.

El grupo de los organismos autótrofos quimiosintetizadores, no tan abundante, emplea la energía liberada por la oxidación de determinadas sustancias inorgánicas, entre las que se encuentran los compuestos de azufre, hierro, nitrógeno, y también el oxígeno. La energía obtenida de estas transformaciones químicas la utilizan igualmente para sintetizar compuestos orgánicos, a partir del CO2 y el agua que obtienen del medio en que viven
(Fig. 2).


Fig. 2. Nutrición autótrofa quimiotrófica o quimiosintetizadora.

En contraste con los organismos autótrofos, los heterótrofos son incapaces de sintetizar sus propios alimentos. Para mantener la vida ellos requieren obtener del ambiente sustancias inorgánicas, como agua y sales minerales, y además materias orgánicas prefabricadas. Por tanto, la supervivencia de los heterótrofos depende completamente de la existencia de los autótrofos, ya que estos constituyen la fuente de materia orgánica que necesitan. Por ello, en la naturaleza se establece un equilibrio dinámico entre estos organismos que facilita la existencia de ambos y, por tanto, la conservación de la vida.
El hombre y casi todos los animales son heterótrofos. En ambos, el alimento obtenido facilita energía y materiales para la formación y reparación de sus componentes. La mayoría de estos alimentos incluyen carbohidratos, proteínas, grasas, etc., los cuales no pueden utilizarse directamente, sino transformados de forma tal que las moléculas grandes sean degradadas a moléculas más sencillas. Para ello estos organismos han desarrollado adaptaciones, que comprenden los procesos de ingestión, digestión y absorción de sustancias, y permiten que estas sean distribuidas por todo el organismo.
Los hongos y muchas de las bacterias son también heterótrofos; sin embargo, carecen de un aparato adecuado para la digestión interna de las partículas de materia orgánica que encuentran en su ambiente. Estos organismos toman su alimento orgánico de sustratos muertos y se auxilian de enzimas que secretan mediante las cuales solubilizan las sustancias carbonadas y nitrogenadas de los restos de vegetales y animales, y luego las absorben.
Este tipo de nutrición se denomina heterótrofa saprofítica y es esencial para el sostenimiento del equilibrio en la naturaleza.
Existen también organismos heterótrofos parásitos. Estos viven sobre el cuerpo de otros organismos o dentro de ellos, ya sean plantas o animales, de los cuales toman directamente las sustancias nutritivas que necesitan, sin causarles la muerte inmediata. Estos organismos, a los que parasitan y de los cuales se alimentan, se denominan huéspedes u hospederos.
La división entre organismos autótrofos y heterótrofos no es tan absoluta como a primera vista pudiera parecer. Existen ciertos organismos que pueden realizar al mismo tiempo ambos tipos de nutrición, como ocurre en algunos flagelados verdes, como la euglena, y en las plantas carnívoras o insectívoras.
Puede afirmarse entonces que la nutrición y la energía tienen mucho en común, y que gracias a este importantísimo proceso todos los seres vivos pueden desempeñar su papel dentro del ciclo de la naturaleza y permitir la incorporación, transformación y utilización eficiente de la energía.

Fotosintesis

La fotosíntesis es uno de los procesos metabólicos de los que se valen las células para obtener energía.

Es un proceso complejo, mediante el cual los seres vivos poseedores de clorofila y otros pigmentos, captan energía lumínica, ellos transforman el agua y el CO2 en compuestos orgánicos reducidos (glucosa y otros), liberando oxígeno.

La energía captada en la fotosíntesis y el poder reductor adquirido en el proceso, hacen posible la reducción y la asimilación de los bioelementos necesarios, como nitrógeno y azufre, además de carbono, para formar materia viva.
La radiación luminosa llega a la tierra en forma de"pequeños paquetes", conocidos como cuantos o fotones. Los seres fotosintéticos captan la luz mediante diversos pigmentos fotosensibles, entre los que destacan por su abundancia las clorofilas y carotenos.
Al absorber los pigmentos la luz, electrones de sus moléculas adquieren niveles energéticos superiores, cuando vuelven a su nivel inicial liberan la energía que sirve para activar una reacción química: una molécula de pigmento se oxida al perder un electrón que es recogido por otra sustancia, que se reduce. Así la clorofila puede transformar la energía luminosa en energía química..
En la fotosíntesis se diferencian dos etapas, con dos tipos de reacciones:
1. Fase luminosa: en la membrana del tilacoide se producen transferencias de electrones.
2. Fase oscura: en el estroma. En ella se realiza la fijación de carbono

FASE LUMINOSA
Los hechos que ocurren en la fase luminosa de la fotosíntesis se pueden resumir en estos puntos:
1. Síntesis de ATP o fotofosforilación que puede ser:
o acíclica o abierta
o cíclica o cerrada
2. Síntesis de poder reductor NADPH
3. Fotolisis del agua

Los pigmentos presentes en los tilacoides de los cloroplastos se encuentran organizados en fotosistemas(conjuntos funcionales formados por más de 200 moléculas de pigmentos); la luz captada en ellos por pigmentos que hacen de antena, es llevada hasta la molécula de "clorofila diana" que es la molécula que se oxida al liberar un electrón, que es el que irá pasando por una serie de transportadores, en cuyo recorrido liberará la energía.

Existen dos tipos de fotosistemas, el fotosistema I (FSI), está asociado a moléculas de clorofila que absorben a longitudes de ondas largas (700 nm)y se conoce como P700. El fotosistema II (FSII), está asociado a moléculas de clorofila que absorben a 680 nm. por eso se denomina P680.
La luz es recibida en el FSII por la clorofila P680 que se oxida al liberar un electrón que asciende a un nivel superior de energía; ese electrón es recogido por una sustancia aceptora de electrones que se reduce,la Plastoquinona (PQ) y desde ésta va pasando a lo largo de una cadena transportadora de electrones, entre los que están varios citocromos (cyt b/f) y así llega hasta la plastocianina (PC) que se los cederá a moléculas de clorofila del FSI.
En el descenso por esta cadena, con oxidación y reducción en cada paso , el electrón va liberando la energía que tenía en exceso; energía que se utiliza para bombear protones de hidrógeno desde el estroma hasta el interior de los tilacoides, generando un gradiente electroquímico de protones. Estos protones vuelven al estroma a través de la ATP-asa y se originan moléculas de ATP.
El fotosistema II se reduce al recibir electrones procedentes de una molécula de H2O, que también por acción de la luz, se descompone en hidrógeno y oxígeno, en el proceso llamado fotólisis del H2O. De este modo se puede mantener un flujo continuo de electrones desde el agua hacia el fotosistema II y de éste al fotosistema I.
En el fotosistema I la luz produce el mismo efecto sobre la clorofila P700, de modo que algún electrón adquiere un nivel energético superior y abandona la molécula, es recogido por otro aceptor de electrones , la ferredoxina y pasa por una nueva cadena de transporte hasta llegar a una molécula de NADP+ que es reducida a NADPH,al recibir dos electrones y un protón H+ que también procede de la descomposición del H2O.
Los dos fotosistemas pueden actuar conjuntamente - proceso conocido como esquema en Z, para producir la fotofosforilación (obtención de ATP) o hacerlo solamente el fotosistema I; se diferencia entonces entre fosforilación no cíclica o acíclica cuando actúan los dos, y fotofosforilación cíclica, cuando actúa el fotosistema I unicamente. En la fotofosforilación acíclica se obtiene ATP y se reduce el NADP+ a NADPH , mientras que en la fotofosforilación cíclica únicamente se obtiene ATP y no se libera oxígeno.


Mientras la luz llega a los fotosistemas, se mantiene un flujo de electrones desde el agua al fotosistema II, de éste al fotosistema I, hasta llegar el NADP+ que los recoge; ésta pequeña corriente eléctrica es la que mantiene el ciclo de la vida.

FASE OSCURA
En esta fase, se va a utilizar la energía química obtenida en la fase luminosa, en reducir CO2, Nitratos y Sulfatos y asimilar los bioelementos C, H, y S, con el fin de sintetizar glúcidos, aminoácidos y otras sustancias.
Las plantas obtiene el CO2 del aire a través de los estomas de sus hojas. El proceso de reducción del carbono es cíclico y se conoce como Ciclo de Calvin., en honor de su descubridor M. Calvin.

La fijación del CO2 se produce en tres fases:
1. Carboxilativa: El CO2 se fija a una molécula de 5C, la ribulosa 1,5 difosfato, formándose un compuesto inestable de 6C, que se divide en dos moléculas de ácido 3 fosfoglicérico conocido también con las siglas de PGA
2. Reductiva:El ácido 3 fosfoglicérico se reduce a gliceraldehido 3 fosfato, también conocido como PGAL ,utilizándose ATP Y NADPH.
3. Regenerativa/Sintética: Las moléculas de gliceraldehido 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, amoinoácidos... etc; y en general todas las moléculas que necesita la célula.

En el ciclo para fijar el CO2, intervienen una serie de enzimas, y la más conocida es la enzima Rubisco (ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa/oxidasa), que puede actuar como carboxilasa o como oxidasa, según la concentración de CO2.

Si la concentración de CO2 es baja, funciona como oxidasa, y en lugar de ayudar a la fijación de CO2 mediante el ciclo de Calvin, se produce la oxidación de glúcidos hasta CO2 y H2O, y al proceso se le conoce como fotorrespiración. La fotorrespiración no debe confundirse con la respiración mitocondrial, la energía se pierde y no se produce ni ATP ni NADPH; y como se ve en el esquema se disminuye el rendimiento de la fotosíntesis, porque sólo se produce una molécula de PGA que pasará al ciclo de Calvin; en cambio cuando funciona como carboxilasa, se obtienen dos moléculas de PGA