CITA(Ge. Pe. @ Jul 1 2007, 07:14 AM) 
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FOTOSÍNTESIS
En la fotosíntesis ocurre un proceso similar al descrito para las celdas fotovoltaicas. Aunque en aquélla no se produce una corriente eléctrica, es sin embargo más eficiente que el realizado en una celda fotovoltaica artificial.
La clave para tan alta eficiencia reside en la arquitectura molecular y en su asociación a membranas. Las membranas biológicas consisten en un fluido bicapa de lípidos anfipáticos especialmente fosfolípidos. La naturaleza anfipática de estos lípidos se debe a que presentan hacia el exterior la parte polar (cargada) de los fosfolípidos, la que es atraída hacia el medio acuoso. La parte interior de la membrana está constituida por las colas (no polares) de los fosfolípidos que forman una barrera entre los medios acuosos.
Figura 11.
Figura 12. Espectro de absorción.
Esta bicapa fosfolípida constituye una membrana y actúa como barrera semipermeable separando dos compartimientos acuosos (Figura 11). Por ejemplo, un glóbulo rojo está formado por una membrana que separa al citoplasma acuoso intracelular del plasma sanguíneo, que también es acuoso.
En los organismos fotosintéticos existen proteínas, colorantes y moléculas sensibilizadoras embebidas en la membrana de las células especializadas en la fotosíntesis.
En algas y plantas verdes, el aparato fotosintético se encuentra localizado en organelos intracelulares unidos a proteínas que se llaman cloroplastos.
La molécula sensibilizadora en la fotosíntesis es la clorofila, molécula parecida a la del heme de la hemoglobina, que consiste en un anillo tetrapirrólico que contiene un átomo de Mg en el centro del anillo en vez del átomo de Fe que contiene el heme.
La clorofila absorbe luz para iniciar la reacción de fotosíntesis. La intensidad de absorción en las distintas l del espectro visible varían de acuerdo con la figura 12. Como en ella se ve, la clorofila absorbe en el azul y en el rojo y no en el verde, el cual es reflejado, razón por la que las hojas se ven verdes.
El aparato fotosintético consta de clorofila y una serie de pigmentos como carotenos y xantofilas, todos ellos unidos a una proteína embebida en una membrana, lo que permite una buena transmisión de energía.
Los pigmentos diferentes a la clorofila ayudan a absorber en las ls entre 450 y 650 nm, punto en que la clorofila es deficiente. Las cantidades y proporciones de pigmentos secundarios varía de planta a planta, siendo precisamente éstos los que le dan el color característico a las hojas. De aquí que se puedan encontrar de tono azulado, como en algunos eucaliptos; de tono amarillo, como en la lechuga, o de tono rojizo, como en algunos amarantos.
Los pigmentos que absorben la luz, situados en la membrana, se hallan dispuestos en conjuntos. Estos fotosistemas contienen alrededor de 200 moléculas de clorofila y algunas 50 de carotenoides. Todas las moléculas del conjunto pueden absorber luz, pero sólo una molécula de clorofila, combinada con una proteína específica, transforma la energía luminosa en energía química, por lo que recibe el nombre de centro de reacción fotoquímica. Todas las demás moléculas son colectoras o moléculas antena.
Las membranas de los cloroplastos poseen dos diferentes fotosistemas cada una, con su propio conjunto de moléculas colectoras y su centro de reacción. El fotosistema l, que absorbe a l mayores (800 nm), tiene una mayor proporción de clorofila a y el fotosistema II, que absorbe a l menores (680 nm), tiene mayor proporción de clorofila b.
Todas las plantas que desprenden oxígeno poseen ambos fotosistemas, siendo el agua oxidada en el lado derecho, como se muestra en la figura 13, y el NADP+ reducido en el lado izquierdo. Es también interesante notar que existen trampas de luz (fototrampas), oxidación de agua y reducción de NADP+. En la oxidación de H2O la molécula de clorofila sensibilizadora tiene un pico de absorción de luz a 680 nm y se designa como P680. El complejo total del lado de oxidación de H2O de la Z es llamado fotosistema II. Después de la absorción de energía luminosa se forma P680* (excitado), que por oxidación pasa a P680+ (oxidado), mientras se reduce un aceptor que es plastoquinona, acomplejada con heme sin fierro. El producto reducido es el radical libre de una hemequinona que ha sido identificado por resonancia spin electrón. La localización en la membrana del P680 y su plastoquinona proviene de la recombinación de cargas, pero el P680+ es también rápidamente reducido por los electrones tomados del agua. De hecho, después de cuatro eventos fotoquímicos se observa emisión de O2.
Figura 13.
La ecuación total es:
2H2O+ 4hn ---> O2 + 4H+ + 4e-
donde por cada electrón que proporciona el agua y recorre el camino hasta NADP+, se absorben dos cuantos de luz.
Para formar una molécula de O2 deben absorberse un total de ocho cuantos para cada fotosistema.
FORMACIÓN DE AZÚCARES Y OTROS COMPUESTOS ORGÁNICOS
Los organismos fotosintéticos producen glucosa y otros azúcares a partir del CO2 atmosférico y el agua del suelo, usando la energía solar acumulada en el ATP y el NADPH
El proceso descubierto por Melvin Calvin es el siguiente:
6 CO2 + 18 ATP + 12 H2O + 12 NADPH + 12 H+ -------> C6H12O6 + 18 Pi + 18 ADP + 12 NADP+
El azúcar de cinco átomos de carbono se combina con CO2, catalizado por la enzima carbonílica 1,5-difosfato de ribulosa, produciendo dos moléculas de ácido fosfoglicérico, el que se combina entre sí para dar el azúcar de fruta o glucosa.
REFERENCIAS
1. A. 1. Oparin, The Origin of Life on the Earth, 3a edición, Academic Press Inc., editores, Nueva York, 1957.
2. M. Harvath, L. Bilitzki y J. Hüttner, Ozone, Elsevier, Amsterdam Oxford, Nueva York, 1957.
3. K. Zweibel, "Photovoltaic cells", en Chem. and Eng. News,7 de julio, p. 34 (1986).
4. Ch. L. Bering, "Energy interconvertions in photosynthesis", en J. Chem. Ed. 62, 659 (1985).
5. Zelitch 1., "Photosynthesis and plant productivity", en Chem. and Eng. News, 5 de febrero, p. 28 (1979).
6. A. L. Lehninger, Principies of biochemistry, Worth publishers, Inc., Nueva York, 1982.
7. Magdalena Rius de Riepen y C. Mauricio Castro Acuńa, La química hacia la conquista del Sol, SEP-FCE-CONACYT (La ciencia desde México, 10), México, 1986.
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III. RADIACIÓN SOLAR, APLICACIONES DE LA RADIACIÓN, CAPA PROTECTORA DE OZONO, FOTOSÍNTESIS, ATMÓSFERA OXIDANTE, CONDICIONES APROPIADAS PARA LA VIDA ANIMA
FOTOSÍNTESIS
En la fotosíntesis ocurre un proceso similar al descrito para las celdas fotovoltaicas. Aunque en aquélla no se produce una corriente eléctrica, es sin embargo más eficiente que el realizado en una celda fotovoltaica artificial.
La clave para tan alta eficiencia reside en la arquitectura molecular y en su asociación a membranas. Las membranas biológicas consisten en un fluido bicapa de lípidos anfipáticos especialmente fosfolípidos. La naturaleza anfipática de estos lípidos se debe a que presentan hacia el exterior la parte polar (cargada) de los fosfolípidos, la que es atraída hacia el medio acuoso. La parte interior de la membrana está constituida por las colas (no polares) de los fosfolípidos que forman una barrera entre los medios acuosos.
Figura 11.
Figura 12. Espectro de absorción.
Esta bicapa fosfolípida constituye una membrana y actúa como barrera semipermeable separando dos compartimientos acuosos (Figura 11). Por ejemplo, un glóbulo rojo está formado por una membrana que separa al citoplasma acuoso intracelular del plasma sanguíneo, que también es acuoso.
En los organismos fotosintéticos existen proteínas, colorantes y moléculas sensibilizadoras embebidas en la membrana de las células especializadas en la fotosíntesis.
En algas y plantas verdes, el aparato fotosintético se encuentra localizado en organelos intracelulares unidos a proteínas que se llaman cloroplastos.
La molécula sensibilizadora en la fotosíntesis es la clorofila, molécula parecida a la del heme de la hemoglobina, que consiste en un anillo tetrapirrólico que contiene un átomo de Mg en el centro del anillo en vez del átomo de Fe que contiene el heme.
La clorofila absorbe luz para iniciar la reacción de fotosíntesis. La intensidad de absorción en las distintas l del espectro visible varían de acuerdo con la figura 12. Como en ella se ve, la clorofila absorbe en el azul y en el rojo y no en el verde, el cual es reflejado, razón por la que las hojas se ven verdes.
El aparato fotosintético consta de clorofila y una serie de pigmentos como carotenos y xantofilas, todos ellos unidos a una proteína embebida en una membrana, lo que permite una buena transmisión de energía.
Los pigmentos diferentes a la clorofila ayudan a absorber en las ls entre 450 y 650 nm, punto en que la clorofila es deficiente. Las cantidades y proporciones de pigmentos secundarios varía de planta a planta, siendo precisamente éstos los que le dan el color característico a las hojas. De aquí que se puedan encontrar de tono azulado, como en algunos eucaliptos; de tono amarillo, como en la lechuga, o de tono rojizo, como en algunos amarantos.
Los pigmentos que absorben la luz, situados en la membrana, se hallan dispuestos en conjuntos. Estos fotosistemas contienen alrededor de 200 moléculas de clorofila y algunas 50 de carotenoides. Todas las moléculas del conjunto pueden absorber luz, pero sólo una molécula de clorofila, combinada con una proteína específica, transforma la energía luminosa en energía química, por lo que recibe el nombre de centro de reacción fotoquímica. Todas las demás moléculas son colectoras o moléculas antena.
Las membranas de los cloroplastos poseen dos diferentes fotosistemas cada una, con su propio conjunto de moléculas colectoras y su centro de reacción. El fotosistema l, que absorbe a l mayores (800 nm), tiene una mayor proporción de clorofila a y el fotosistema II, que absorbe a l menores (680 nm), tiene mayor proporción de clorofila b.
Todas las plantas que desprenden oxígeno poseen ambos fotosistemas, siendo el agua oxidada en el lado derecho, como se muestra en la figura 13, y el NADP+ reducido en el lado izquierdo. Es también interesante notar que existen trampas de luz (fototrampas), oxidación de agua y reducción de NADP+. En la oxidación de H2O la molécula de clorofila sensibilizadora tiene un pico de absorción de luz a 680 nm y se designa como P680. El complejo total del lado de oxidación de H2O de la Z es llamado fotosistema II. Después de la absorción de energía luminosa se forma P680* (excitado), que por oxidación pasa a P680+ (oxidado), mientras se reduce un aceptor que es plastoquinona, acomplejada con heme sin fierro. El producto reducido es el radical libre de una hemequinona que ha sido identificado por resonancia spin electrón. La localización en la membrana del P680 y su plastoquinona proviene de la recombinación de cargas, pero el P680+ es también rápidamente reducido por los electrones tomados del agua. De hecho, después de cuatro eventos fotoquímicos se observa emisión de O2.
Figura 13.
La ecuación total es:
2H2O+ 4hn ---> O2 + 4H+ + 4e-
donde por cada electrón que proporciona el agua y recorre el camino hasta NADP+, se absorben dos cuantos de luz.
Para formar una molécula de O2 deben absorberse un total de ocho cuantos para cada fotosistema.
FORMACIÓN DE AZÚCARES Y OTROS COMPUESTOS ORGÁNICOS
Los organismos fotosintéticos producen glucosa y otros azúcares a partir del CO2 atmosférico y el agua del suelo, usando la energía solar acumulada en el ATP y el NADPH
El proceso descubierto por Melvin Calvin es el siguiente:
6 CO2 + 18 ATP + 12 H2O + 12 NADPH + 12 H+ -------> C6H12O6 + 18 Pi + 18 ADP + 12 NADP+
El azúcar de cinco átomos de carbono se combina con CO2, catalizado por la enzima carbonílica 1,5-difosfato de ribulosa, produciendo dos moléculas de ácido fosfoglicérico, el que se combina entre sí para dar el azúcar de fruta o glucosa.
REFERENCIAS
1. A. 1. Oparin, The Origin of Life on the Earth, 3a edición, Academic Press Inc., editores, Nueva York, 1957.
2. M. Harvath, L. Bilitzki y J. Hüttner, Ozone, Elsevier, Amsterdam Oxford, Nueva York, 1957.
3. K. Zweibel, "Photovoltaic cells", en Chem. and Eng. News,7 de julio, p. 34 (1986).
4. Ch. L. Bering, "Energy interconvertions in photosynthesis", en J. Chem. Ed. 62, 659 (1985).
5. Zelitch 1., "Photosynthesis and plant productivity", en Chem. and Eng. News, 5 de febrero, p. 28 (1979).
6. A. L. Lehninger, Principies of biochemistry, Worth publishers, Inc., Nueva York, 1982.
7. Magdalena Rius de Riepen y C. Mauricio Castro Acuńa, La química hacia la conquista del Sol, SEP-FCE-CONACYT (La ciencia desde México, 10), México, 1986.
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