Todos sabemos que las plantas hacen la fotosíntesis, pero no todos estamos concienciados como tiene lugar. De hecho la bioquímica no es sencilla y, para muchos, seguramente aburrida. Así que, tratemos de explicarla sin dejarnos nada, con lenguaje divulgativo. Os invito a conocer el secreto de las plantas.
Pero, ¿qué es la fotosíntesis? La fotosíntesis no es más que un proceso que hacen los organismos fotosintéticos para obtener materia orgánica a partir de inorgánica. ¿Porqué? Hemos de saber que la materia orgánica es necesaria para la vida. Permite un desarrollo gradual en el ser vivo. Nosotros obtenemos materia orgánica igual que las plantas pero con métodos diferentes. Nosotros no podemos fabricarnos nuestra propia materia orgánica, hemos de ingerirla en la dieta. Las plantas, y todos los organismos fotosintéticos se la pueden fabricar ellos mismos.
Primero de todo hemos de saber, antes de nada, donde trabajamos. Hemos de situarnos en la planta.
Vamos a trabajar en nuestra planta imaginaria.
Podemos definir, de manera indirecta pero correcta, a las hojas de la planta comparándolas con la funcionalidad de unos paneles solares. Son 'los paneles solares' de las plantas. Más adelante explicaré para qué y por qué.
Ahora os invito a tomar prestada una hoja de las muchas que hay. Analicémosla.
En una hoja, a ojo de microscopio, lo que vamos a ver son células, células eucariotas vegetales. Supongo que no es necesario recordar que las plantas son tan seres vivos como tu y yo, y como tales, disponen de células.
La fotosíntesis ocurre en las células de las plantas, en las hojas.
Cuando estás a la sombra y sacas una mano al Sol lo que experimentas es calor. La luz lleva consigo energía en sus fotones, partículas elementales de ésta. De ésta manera no se nos hace difícil entender porqué las plantas quieren establecerse en la luz, e incluso luchan por ella. La luz les prestará la energía suficiente como para que la fotosíntesis de comienzo.
Sigamos nuestro viaje al microcosmos unicelular. Si nos adentramos lo suficiente veremos que una célula eucariota vegetal es todo un mundo. Pero lo que nos interesa solamente aquí es saber que las células de las hojas contienen cloroplastos. Ésto también suele sonar a la gente, como también suele sonar que es donde se guarda la clorofila. En general es correcto, pero nosotros queremos entender la fotosíntesis y para ello hemos de explicarlo con mayor tecnicismo.
Ahora estamos situados en un verde cloroplasto de una célula eucariota vegetal de una hoja de una planta. ¡Uf! Tranquilos que ya nos queda poco para dejar de ampliar los aumentos y hasta aquí lo hemos entendido. De hecho, es en el cloroplasto donde nos vamos a quedar.
En un cloroplasto NO se encuentra repartida la clorofila como se suele decir. No. De hecho podemos dividir en dos partes un cloroplasto, diciendo en que parte se encuentra la clorofila y en que no. La fotosíntesis tiene lugar en esas dos partes. Una parte es el estroma, y la otra el tilacoide (son muchos, formando granas, pero trabajamos en uno). Bien, no reduciremos más nuestra vista microscópica, aquí nos quedamos. El tilacoide es un saco aplanado dentro del cloroplasto donde se da la primera fase de la fotosíntesis, y el estroma es todo lo demás, es líquido acuoso que rellena al cloroplasto, donde se da la segunda y última fase de la fotosíntesis.
El tilacoide, lógicamente, tiene un límite de espacio, empieza en un sitio y acaba en otro, como ya he dicho, es como un saco. Así que, si trabajamos en el tilacoide, podemos distinguir tres partes intuitivamente: una parte será el interior del tilacoide, otra será la membrana del tilacoide que separa el interior del tilacoide con el estroma, y la última será el estroma, que queda fuera, en el exterior del tilacoide.
Ahora ya sabemos mucho sobre las plantas. Tenemos el conocimiento suficiente como para poder entender como funciona la fotosíntesis.
Como ya he dicho, la fotosíntesis tiene dos fases que, si recordáis, la primera sucede en el tilacoide y la segunda en el estroma. Técnicamente a la primera fase de la fotosíntesis se le llama Fase Luminosa, y a la segunda fase de la fotosíntesis se le llama Fase Oscura. Ésto no nos debe causar confusión. No son dos tipos de fotosíntesis, son dos fases de la misma.
Para seguir con el tema hemos de conocer qué necesita una planta para empezar la Fase Luminosa. Si recordamos, la fotosíntesis utiliza moléculas inorgánicas para fabricar orgánicas, así que éstos substratos deben ser forzosamente inorgánicos. ¿Se os ocurren algunos? Si usamos la intuición podemos llegar a conocerlos. Sabemos que las plantas necesitan tres cosas: energía luminosa, agua y dióxido de carbono. A partir de éstos tres substratos obtendremos de productos finales: glucosa, oxigeno y agua. La glucosa es la materia orgánica, el objetivo real de todo el proceso.
Siendo mas precisos, la reacción de la fotosíntesis es:
Energía Luminosa + 12H2O + 6CO2 = C6H12O6(glucosa) + 6O2 + 6H2O.
Os pido que le echéis un segundo vistazo a esa reacción. Es importante que recordéis los substratos y los productos.
Todos sabemos que las plantas desprenden oxígeno a la atmósfera, ¿a que ahora sabéis porqué? Exacto, porqué es un producto final de la fotosíntesis. También sabíais que captan CO2, y ésto es porqué es un substrato de la fotosíntesis. ¡Pero aquí no termina la aventura, si no que justamente acaba de comenzar!
Ahora tenemos el conocimiento suficiente como para empezar a explicar qué sucede en la fotosíntesis. Empezamos con la primera fase, ¿os acordáis? sí, la Fase Luminosa.
La Fase Luminosa, como ya he dicho, tiene lugar en el tilacoide del cloroplasto, concretamente en la membrana del tilacoide.
En la membrana del tilacoide hay moléculas, diferentes moléculas que interactuan de manera lineal, es decir, la primera interactua con la segunda, la segunda con la tercera, y así hasta el final. Empecemos la explicación de la Fase Luminosa.
La primera molécula que nos encontramos en la membrana del tilacoide no es exactamente una molécula, es un sistema donde pasan diferentes cosas. Le vamos a llamar Fotosistema. El Fotosistema está constituido por un pigmento que capta la energia de los fotones de la luz solar (pigmento antena) y éste pasa la energía que ha obtenido de éstos a otro pigmento del fotosistema, la clorofila (o pigmento diana). Lo que sucede ahora es la clave del inicio de la fotosíntesis. La molécula de la clorofila, al recibir la energía de la luz solar que le ha dado el pigmento antena, le sucede una cosa interesante, y es que pierde electrones. La clorofila es el motor de arranque de la fotosíntesis porqué pierde electrones.
En todo éste tiempo no nos hemos movido del Fotosistema. En un resumen, hemos obtenido electrones a partir de la clorofila, y ahora tenemos un Fotosistema con electrones. ¿Y ahora qué hacemos con ellos? ¿Para que queremos electrones en la fotosíntesis? Bien pues lo que hace el Fotosistema al haber completado su función es pasar los electrones a la cadena transportadora de electrones, que son todas las otras moléculas que quedan. Es decir, excepto el Fotosistema, todas las demás moléculas actúan como transportadoras de electrones.
La primera aceptora de electrones (primera molécula de la cadena transportadora de electrones) es la plastoquinona (que lo que ocurre aquí es sumamente importante, lo explico más abajo), que los pasa a las diferentes moléculas transportadoras, el complejo citocromo b-f, a su vez se los pasa a la plastocianina. Nos paramos aquí.
Resumiendo, las moléculas se han ido pasando los electrones de la clorofila, pero lo más importante, la clave de la cuestión, ocurre con la plastoquinona. La plastoquinona es una molécula que, cuando recibe los electrones del Fotosistema, los utiliza para introducir protones del estroma al interior del tilacoide. ¿Porqué introduce protones en el interior del tilacoide? En otro lugar de la membrana del tilacoide (no en la cadena transportadora de electrones) existe una molécula enzimática que fabrica (sintetiza) ATP al volver a sacar los protones del interior del tilacoide al estroma. Se llama exactamente ATP-sintetasa. El ATP es la molécula energética de los seres vivos. Lleva energía consigo en sus enlaces, y el ATP lo queremos para utilizarlo en la segunda fase de la fotosíntesis, la Fase Oscura.
La clave de la cuestión es que la ATP-sintetasa ha utilizado los protones del interior del tilacoide para fabricar la molécula que se utilizará en la Fase Oscura. Como es lógico, si los protones van a fuera, la ATP-sintetasa crea los ATP fuera del tilacoide, no dentro. Deja los ATP en el estroma. ¡Perfecto! ¡Es ahí donde tiene lugar la Fase Oscura! ¡Nos lo sirven en bandeja!
Y nombrando unas cosas por encima pero que no quiero entrar mucho en el tema, es que en la Fase Luminosa también se crea una coenzima, el NADPH con los electrones que dona la plastocianina a otro tipo de Fotosistema. Éste también va a parar al estroma para utilizarse en la Fase Oscura. Y así rápido también, las 12H2O que he dicho que necesita una planta se utilizan para sacarle los electrones y donarlos a la clorofila que los ha perdido, para poder volver a hacer la Fase Luminosa. Ésto destruye a las 12 moléculas de agua y entonces los doce oxígenos que tienen se juntan para crear las moléculas de oxígeno (que recordemos que son diatómicas, O2) así que las plantas se desprenden de ellos en forma de 6O2 (producto de la fotosíntesis). Ésto último no es excesivamente importante para entender la fotosíntesis. Lo que importa que sepáis es el qué hemos obtenido de la Fase Luminosa y donde va a parar: hemos obtenido 18ATP y 12NADPH que se quedan en el estroma para utilizarse en la Fase Oscura, la ultima fase de la fotosíntesis.
Si hasta aquí no hay problemas la Fase Oscura será un paseo por el parque. Siempre podéis volver a echarle un vistacillo a la explicación y a los dibujos.
¡Bien! Adiós Fase Luminosa. Veamos la Fase Oscura.
Ahora estamos en el estroma, el lugar acuoso que rellena el cloroplasto. Bien, ¿que tenemos en él? A parte de protones y otras cosas, nos centramos en los 18ATP y los 12NADPH de la Fase Luminosa.
¿No os parece que nos dejamos algo? Hasta ahora solo he nombrado dos de los tres substratos que necesita la fotosíntesis, la luz y el agua. ¿Os acordáis del tercero? ¿Sí? ¿No? ¡El CO2! Y es que el CO2 lo necesitamos en la Fase Oscura junto a los 18ATP y los 12NADPH.
La Fase Oscura es la fase que crea la glucosa, la sacarosa (azúcar), la clave de todo el proceso. Es necesaria para la planta, y la almacena en forma de almidón en las semillas. Nosotros almacenamos la glucosa en forma de glucógeno, no almidón, en el hígado y en los músculos. Bien, vamos a lo que vamos.
Las seis moléculas de CO2 necesarias entran en el estroma de los cloroplastos por unos conductos que tienen las hojas de las plantas que se llaman estomas (no estromas, no confundir). También es el conducto por donde se expulsan las seis moléculas de O2 creadas en la Fase Luminosa.
Esos 6CO2 entran en un ciclo de reacciones que tiene lugar en el estroma juntamente con los 18ATP y los 12NADPH. Éste ciclo de reacciones se llama Ciclo de Calvin.
Bien, veamos lo último por explicar de la fotosíntesis, el Ciclo de Calvin, el responsable de crear las moléculas orgánicas necesarias para la planta:
El CO2 es el principal substrato de el Ciclo de Calvin. De hecho, ¿no os habéis preguntado de donde sale el carbono (C) de la molécula de glucosa final (C6H12O6)? Exacto, esos 6C de la glucosa salen de esos 6CO2. Aunque son 6CO2 seguiremos solamente el ciclo de uno.
En el estroma yace una pentosa que se llama Ribulosa-1,5-difosfato. El nombre es lo de menos. El caso es que ésa molécula está en el estroma junto con el CO2 que viene del exterior. Lo que hace la Ribulosa-1,5-difosfato es unirse al CO2. No se une al CO2 sin una ayuda, una ayuda ofrecida por una enzima que se llama Rubisco (nombre completo ribulosa-difosfato-carboxilasa-oxidasa, vaya telita). Los nombres son lo de menos, lo que nos importa saber es que tenemos una unión de dos moléculas. Si dos moléculas se unen forman una, y ésta ahora se divide en dos, dos APG (ácidos 3-fosfoglicéricos). Es aquí cuando se utiliza el ATP, y unas reacciones más a delante el NADPH. De hecho, por cada molécula de CO2 se utilizan 3ATP y 2NADPH. Y si nos salen bien las cuentas son 18ATP y 12NADPH por cada 6CO2. ¡Perfecto!
Ahora nos ha quedado la antepenúltima de las moléculas del Ciclo de Calvin, un G3P (nombre completo gliceraldehido 3-fosfato). A partir de ésta última podemos fabricar: Glucosa, ácidos grasos, aminoácidos, o podemos volver a regenerar la Ribulosa 1,5-difosfato para volver a empezar el Ciclo de Calvin. Quizás no te hayas dando cuenta que YA HEMOS TERMINADO LA FOTOSÍNTESIS!
Hemos obtenido la glucosa necesaria. Ahora ya sabes como sucede la fotosíntesis y porqué unos simples rayos de luz pueden hacer que una planta viva y crezca. Ahora sabes porqué necesitan agua y porqué deben disponer de CO2 en la atmósfera. Ya sabes porqué las plantas liberan oxígeno. ¡Ya sabes un montón! Hemos revelado el secreto de las plantas.
