Los seres vivos se caracterizan por su capacidad de crecimiento y desarrollo, y su capacidad para reproducirse. Para ello necesitan un aporte de materia y energía. Los seres vivos podemos clasificarlos de acuerdo con la forma en que obtienen la materia y la energía, la forma de nutrirse, en las siguientes categorías:

  AUTÓTROFOS: el término significa, etimológicamente, alimentarse por sí mismo. Son seres vivos que no dependen para su nutrición de materia orgánica previamente fabricada por otros seres vivos. Dentro de esta categoría se pueden establecer los siguientes subgrupos:

  Fotolitotrofos: poseen pigmentos que captan la luz y con la energía luminosa producen materia orgánica a partir de materia inorgánica, transformando así la energía luminosa en energía química. Ejemplos de este tipo de seres son:

- Bacterias fotosintéticas purpúreas, sulfúreas y no sulfúreas

- Cianobacterias

- Algas

- Plantas superiores 

  Quimiolitotrofos: son capaces de oxidar sustancias inorgánicas del medio para obtener energía. Ejemplos:

- Bacterias del H

- Bacterias del S

- Bacterias del Fe

- Bacterias nitrificantes

  Heterótrofos: seres vivos que para alimentarse necesitan materia orgánica previamente elaborada por otros seres vivos. Etimológicamente significa alimentarse por otro. También aquí se pueden establecer dos subgrupos:

  Fotoorganotrofos: ciertas bacterias purpúreas no sulfurosas que con la energía de la luz oxidan materia orgánica previamente existente. Son muy raros.

Quimioorganotrofos: utilizan materia orgánica previamente producida por otros seres vivos para producir su propia materia orgánica y para obtener la energía que necesitan, por medio de su oxidación. Dentro de este grupo podemos clasificar:

- Bacterias quimiolitotrofas del H que también pueden oxidar CO, CH₄, HCOH, HCOOH, CH₃OH

- Hongos

- Animales 

Figura8. Ecuaciones Fotosintésis oxigénica y Anoxigénica.

Características fundamentales de la fotosíntesis

  Las plantas superiores son fotolitotrofos, realizan el proceso denominado fotosíntesis, que posee tres características fundamentales:

1. Transformación de la energía luminosa en energía química, que se acumula en ATP y NADPH (energía y poder reductor).

2. Síntesis de moléculas orgánicas complejas, reducidas, a partir de otras muy sencillas, oxidadas, poco energéticas y muy abundantes: CO₂ y H₂O.

3. Es un proceso de oxidación-reducción en el que el agua actúa como donador de electrones, estos se ceden a un aceptor, que se estudiará en temas posteriores, en contra de gradiente de potencial, gracias a la energía de la luz.

  Importancia de la fotosíntesis

  La enorme importancia que la fotosíntesis tiene para el conjunto de la Biosfera radica en los siguientes hechos:

  1. Produce O₂, manteniendo la concentración constante de la atmósfera actual, aproximadamente el 21 %, necesario para la respiración animal.

2. Consume el CO₂ que se produce en la respiración, combustiones, etc., manteniendo el nivel del 0.037 %.

3. Transforma la energía luminosa, muy abundante, en energía química necesaria para los procesos vitales.

4. Produce materia orgánica necesaria para la nutrición de los seres vivos heterótrofos, encontrándose, por tanto, en la base de la cadena alimentaria de todos los ecosistemas, y constituyendo el punto en el que se cierran los ciclos de los elementos como el C, N, O, etc.   

  Descubrimiento de la fotosíntesis: visión histórica

  La agricultura existe desde hace más de 10000 años. Se conocen tablillas cerámicas con escritura cuneiforme de la época asiria (Babilonia) siglos XIII al VII a.C. que son verdaderos manuales de agricultura: tipo de surcos para los cultivos, riegos, etc. Se trata de prácticas puramente empíricas que reflejan el interés del hombre por mejorar la producción agrícola, aunque no se pueda decir que se trata de conocimientos científicos propiamente dichos.

 Aristóteles (filósofo griego, 384 a 322 a.C.) sostiene que las plantas se alimentan del humus o materia orgánica de la tierra, y apunta la idea de que la luz tiene algo que ver. Esta “Teoría Húmica” no se abandona hasta bien entrado el siglo XIX.

 S XVII

 Van Helmont hace un experimento, sembrando una rama de sauce de 2 kg de peso en un recipiente con una cantidad de tierra exactamente pesada y, durante 5 años, sólo le aporta agua de lluvia. Al cabo de ese tiempo vuelve a pesar el árbol que ahora pesa 75 kg, y la tierra apenas ha perdido unos gramos. Concluye que las plantas crecen exclusivamente a expensas del agua.   

  Woodward cultiva plantas de menta, regándolas con agua de lluvia, de una acequia y del río Támesis. Al observar que las plantas crecen mejor con el agua que arrastra más tierra, concluye que las plantas necesitan agua y tierra para crecer.

  Stephen Hales se considera el primer fisiólogo vegetal, y su libro “Vegetable staticks” el primer tratado de Fisiología Vegetal. En él habla del aire que las plantas toman por las hojas y de la luz que “ennoblece los principios del vegetal”.

  S XVIII

  Priestley demostró que las plantas purifican el aire (desprenden oxígeno), permitiendo que un ratón sobreviva en una campana hermética junto a una planta.

  Ingenhousz mantiene que las partes verdes de las plantas con la luz purifican el aire, pero en oscuridad lo vician.

  Jean Senebier establece que el aire viciado (CO₂) es necesario para que se produzca aire puro (O₂).   

  S XIX

Theodore de Saussure en 1804 publica un trabajo diciendo que el peso ganado por la planta más el del O₂ desprendido es mayor que el del CO₂ fijado y que, por tanto, el otro elemento necesario es el agua. En sus experimentos, muy correctos desde el punto de vista cuantitativo, establece que la planta toma CO₂ + H₂O + elementos minerales del suelo, y concluye que el nitrógeno de la planta procede de la tierra.

  Justus von Liebig es el autor que acaba con la teoría húmica. Establece que el carbono lo obtiene la planta del CO₂ atmosférico, el nitrógeno del amonio del suelo, y los demás elementos de la solución edáfica. Los elementos se restituyen al suelo con la caída y putrefacción de los restos de vegetales y animales, poniendo las bases de la teoría de la circulación de la materia o Ciclos Biogeoquímicos.

J.B. Boussingault demuestra que el nitrógeno lo obtienen las plantas, además del NH₃, también del nitrato.

 M. Berthelot estudia bacterias capaces de fijar nitrógeno atmosférico.

  H. Helriegel descubre la fijación del nitrógeno atmosférico en los nódulos radicales de las leguminosas. 

  Julius Robert Meyer fue uno de los formuladores de la teoría de la conservación de la energía. La aplicó a las plantas, explicando que la energía luminosa en la fotosíntesis se conserva en forma de energía química.

  Julius Sachs demuestra que en la fotosíntesis se produce almidón, tapando la mitad de una hoja con un papel opaco y, tras un tiempo en la luz, la sometió a vapores de iodo que tiñeron el almidón formado en la mitad de la hoja que recibía luz. Experimentos posteriores se hicieron con un papel opaco en el que se habían recortado letras e, incluso, con un negativo fotográfico, obteniendo al teñir con iodo las letras que figuraban en la cubierta o el positivo de la fotografía.

  Engelmann en 1894, demostró el desprendimiento de O₂ en la fotosíntesis, haciendo incidir haces luminosos muy finos en puntos del cloroplasto del alga Spirogyra. En el punto del cloroplasto donde incide un haz de luz roja o azul, se acumulan bacterias que poseen un tactismo positivo hacia el oxígeno, mientras que en el punto donde incide luz verde no ocurre así.

  S XX

  Blackman en 1905, es el primero que habla de la existencia de dos fases o etapas de la fotosíntesis: etapa luminosa y etapa oscura.   

Figura 9. Personajes clave en el descubrimiento de la fotosíntesis: Personajes cuyos estudios fueron clave para el conocimiento de la fotosíntesis (desde arriba y hacia la derecha): Aristóteles, Stephen Hales, Joseph Priestley, Justus von Liebig y Julius Sachs.

 ¿De dónde procede el O₂ desprendido en la fotosíntesis?

  Este es uno de los aspectos básicos del proceso que se clarifican en la primera mitad del siglo XX, destacando los estudios de los siguientes autores:

  Warburg en 1920 a 1923, realiza estudios que concluyen que el O₂ procede de la rotura de la molécula de CO₂. Muere en 1960 convencido de que esto es así.,

  Van Niel en 1931, gracias a sus estudios realizados en Stanford con bacterias sulfurosas, establece la ecuación de la fotosíntesis para estos seres:

CO₂ + SH₂ → (CH₂O)_n + S

Por analogía con este tipo de bacterias, sugiere que el oxígeno desprendido en la fotosíntesis de las plantas procede de la rotura de la molécula de H₂O por la luz.

  Robin Hill en 1937, aisló cloroplastos y los incubó en un medio exento de CO₂ en presencia de un aceptor artificial de electrones, demostrando que los cloroplastos desprenden oxígeno sin necesidad de fijar CO₂. Desde entonces a esta reacción se la conoce con el nombre de “reacción de Hill”, la cual se reproduce en una de las prácticas de laboratorio de este curso.

  Ruben y Kamen en 1941, usando ¹⁸O₂ demuestran que el oxígeno desprendido en la fotosíntesis procede de la rotura de la molécula de agua.

  ¿Cuál es el primer producto estable de la fotosíntesis?

  Melvin Calvin entre 1948 a 53, realiza experimentos con suspensiones del alga Chlorella. La somete a tiempos de luz limitados y ¹⁴CO₂, para lo cual mata las células con etanol hirviendo tras un tiempo dado de iluminación. El extracto de las algas se somete a cromatografía en papel. Después de 60 segundos de iluminación, se obtienen unos 80 compuestos marcados con ¹⁴C (aminoácidos, ácidos orgánicos, azúcares, etc.). Reduciendo el tiempo de fotosíntesis a 7 segundos, se obtienen 30 compuestos marcados. Con sólo 2 segundos de iluminación, se observan 7 compuestos marcados y el 60% del marcaje está en una triosa fosfato: el ácido 3,P-glicérico.

Con experimentos de este tipo, junto con sus colaboradores Benson y Basshan, logran establecer toda la serie de reacciones metabólicas, conocidas en conjunto con el nombre de Ciclo de Calvin, que dan lugar a la formación de hexosas a partir de la fijación de CO₂ sobre una pentosa.  

  Etapas del proceso fotosintético

  Hasta ahora hemos estudiado la fotosíntesis como un proceso único descrito por una ecuación global:

Figura 10.Ecuación general de la Fotosíntesis

Hoy sabemos que el proceso se divide en dos etapas que se han denominado etapa luminosa y etapa oscura desde comenzaron a estudiarse, si bien esta denominación actualmente se considera incorrecta por razones que veremos más adelante.

El descubrimiento de las dos etapas comienza con los experimentos de Blackmann en 1905. Este autor midió la intensidad de la fotosíntesis en función de la concentración de CO₂, la temperatura y la intensidad luminosa. Establece la existencia de dos procesos:

- Uno más rápido que depende de la luz, no le influye la temperatura.

- Otro más lento que no depende de la luz y sí de la temperatura.

  Emerson y Arnold en 1932, realizan experimentos con destellos de luz de 10^-5 segundos de duración separados con intervalos de oscuridad de 0.1 segundo, con firmando la existencia de los dos procesos.

  Los experimentos de Hill en 1937, en realidad son una confirmación de la etapa “luminosa” en la que el agua se rompe por medio de la luz, sin necesidad de CO₂, proceso que se denomina fotolisis del agua.   

  Severo Ochoa en 1952 observa que en el cloroplasto el aceptor natural de los electrones procedentes del agua es el NADP⁺, y que se produce ATP. Sin embargo, sus descubrimientos fueron criticados aduciendo que la técnica utilizada para el aislamiento de los cloroplastos no era suficientemente buena y podría haber mitocondrias en sus preparaciones.

  Arnon en 1954 demostró que en los cloroplastos se produce ATP a partir de ADP y Pi, proceso que se denominó Fosforilación Fotosintética.

  A partir de los experimentos de Blackman, Hill, Emerson y Arnold, Ochoa y Arnon, quedó establecido que la fotosíntesis se puede dividir en dos etapas.

Etapa luminosa:

Rápida

Dependiente de la luz

No dependiente de la temperatura

Ocurre durante el día

Etapa oscura:

Más lenta

Dependiente de la temperatura

Ocurre durante la noche 

  Estos conocimientos eran correctos, salvo por un hecho: se equivocaron en asignarle “nocturnidad” a la etapa oscura. Hoy sabemos que varias de las reacciones que se dan en esta etapa están reguladas por la luz y no ocurren en la oscuridad. Es decir, varios de los pasos del Ciclo de Calvin sólo ocurren en presencia de luz, lo cual se explica por la necesidad de ATP y NADPH para que dicho ciclo funcione. Por tanto, mal se le puede llamar “etapa oscura” a un proceso que NO PUEDE OCURRIR DE NOCHE.

Hoy día se prefiere la denominación de Etapa Fotoquímica para designar los procesos de transformación de la energía de los fotones en energía química que se almacena en las moléculas de ATP y NADPH, y que conlleva la rotura de la molécula de H₂O. Los procesos que utilizan el ATP y NADPH para la fijación de CO₂ sobre una pentosa, formándose dos moléculas de triosa fosfato, se denominan Etapa de Asimilación del Carbono.    

Figura 11.Esquema de la Etapa Fotoquímica que se produce en los Tilacoides.

Introducción

La obtención de energía ocurre en todas las células de la misma manera, en la mayoría de los casos: respiran continuamente, absorbiendo O₂ y desprendiendo CO₂ en volúmenes casi iguales. Es un proceso por el que ciertos compuestos como:

-         carbohidratos

-         grasas

-         ácidos orgánicos

-         proteínas (raramente)

se oxidan hasta transformarse en CO₂.

La ecuación global del proceso, partiendo de una hexosa, es:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 686 kcal/mol

ecuación que es la contraria de la fotosíntesis.

En la fotosíntesis se almacena energía luminosa en forma de energía química, mediante la síntesis de carbohidratos. Estos carbohidratos se transportan a todos los órganos y tejidos de la planta donde se utilizan para obtener energía, y como esqueletos carbonados precursores para la síntesis de aminoácidos, ácidos grasos, etc. Por tanto, en los tejidos no fotosintéticos, y en los tejidos fotosintéticos en ausencia de luz, se obtiene la energía degradando estos compuestos por los procesos respiratorios.

J. Ingen-Housz en 1779, estableció que las plantas en la oscuridad vician el aire igual que los animales.

En plantas el intercambio de gases es por difusión a través de los espacios intercelulares, continuos desde los estomas y lenticelas hasta las células, no existiendo en ellas pigmentos transportadores del O₂, ni órganos especializados en transporte e intercambio de gases que se puedan comparar al aparato respiratorio de animales.

Esquema general

Los procesos degradativos de la respiración son los que se resumen en el siguiente esquema (muy similares a los de animales, pero se subrayan aspectos característicos de las plantas):

-         La glucolisis es la ruta metabólica por la que se degrada glucosa hasta formar piruvato, generándose 2 ATP y 2 NADH, pero en plantas se considera que comienza con la hidrólisis de la sacarosa.

-         La vía de las pentosas fosfato, localizada en el citosol, puede degradar glucosa-6P produciendo NADPH e intermediarios que intervienen en otros procesos.

-         La hidrólisis de las grasas produce glicerol que se incorpora a la glucolisis, y ácidos grasos que son oxidados en el glioxisoma por el proceso de b-oxidación (que en animales se localiza en la mitocondria), si bien actualmente hay datos experimentales que apoyan la existencia de β-oxidación también en la mitocondria.

-         El piruvato (glucolisis), succinato y acetil-CoA (b-oxidación) se transportan al interior de la mitocondria donde se incorporan al Ciclo de los ácidos tricarboxílicos (Ciclo de Krebs).

-         El NAD(P)H formado en el exterior de la mitocondria (glucolisis) no se introduce en ésta, sino que es oxidado por NAD(P)H deshidrogenasas de la membrana externa de la mitocondria o de la cara externa de la membrana interna (en animales se transporta al interior de la mitocondria donde se oxida).

-         El NADH del Ciclo de Krebs se oxida en los sistemas NADH‑deshidro­genasa de la cara interna de la membrana interna de la mitocondria.

-         En caso de deficiencia de oxígeno se pueden producir fermentaciones, que generan lactato o etanol.