Etapas de la fotosíntesis

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Apuntes de la lección
Ejemplos resueltos
Ideas clave
Alineación con NGSS

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Diapositivas de la lección (en inglés) (PDF)
Hoja de práctica (en inglés) (PDF)
Clave de respuestas (en inglés) (PDF)

Pregunta esencial

¿Qué hacen las reacciones dependientes de la luz y las reacciones independientes de la luz?

La fotosíntesis no es un solo paso. Son dos conjuntos de reacciones que trabajan en equipo, en dos partes distintas del cloroplasto. En esta lección seguirás los reactivos, los productos y la ubicación de cada etapa, y usarás un experimento para descubrir de dónde viene el oxígeno.

Video de la lección próximamente. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.

Dos etapas, dos lugares

Reacciones dependientes de la luz: membranas de los tilacoides
Reacciones independientes de la luz: estroma
El ATP y el NADPH conectan las dos etapas
Juntas producen glucosa a partir de CO₂

La fotosíntesis ocurre en dos etapas. Las reacciones dependientes de la luz ocurren en las membranas de los tilacoides y necesitan luz. Las reacciones independientes de la luz ocurren en el estroma. No usan la luz directamente, pero dependen de los transportadores de energía que produce la primera etapa. Cada etapa le pasa a la otra algo que necesita: la primera produce transportadores de energía para la segunda, y la segunda devuelve los transportadores vacíos para que se puedan volver a cargar.

Reacciones dependientes de la luz

Reactivos: energía de la luz, H₂O, ADP, NADP⁺
Productos: O₂, ATP, NADPH
La energía de la luz se convierte en energía química
El oxígeno viene de la separación del agua

Las reacciones dependientes de la luz convierten la energía de la luz en energía química. La clorofila absorbe la luz, y esa energía se usa para separar moléculas de agua, lo que libera oxígeno gaseoso (O₂). La energía se almacena en dos moléculas: el ATP, que ya conoces como la molécula de energía de la célula, y el NADPH, un transportador de energía que también lleva hidrógeno. Para producirlas, las reacciones usan ADP y NADP⁺. El oxígeno sale del cloroplasto y de la célula, y es el oxígeno que respiras.

Reacciones independientes de la luz

Reactivos: CO₂, ATP, NADPH
Productos: glucosa, ADP, NADP⁺
La energía del ATP y del NADPH se almacena en la glucosa
El carbono del CO₂ se incorpora al azúcar

Las reacciones independientes de la luz construyen azúcar. Con la energía del ATP y del NADPH, las reacciones del estroma toman átomos de carbono del CO₂ y los incorporan a la glucosa. Así es como el carbono pasa del aire a los seres vivos. Las reacciones gastan el ATP y el NADPH, que se convierten en ADP y NADP⁺ y regresan a las membranas de los tilacoides. A pesar del nombre, estas reacciones normalmente ocurren de día, porque es cuando las reacciones dependientes de la luz aportan ATP y NADPH.

Los transportadores de energía se reciclan

ADP y NADP⁺: transportadores vacíos
Las reacciones dependientes de la luz los cargan
Las reacciones independientes de la luz los vacían
Sin luz o sin CO₂, todo el ciclo se hace más lento

Ciclo con cuatro recuadros. Las reacciones dependientes de la luz envían ATP y NADPH, transportadores cargados, a las reacciones independientes de la luz. Las reacciones independientes de la luz devuelven ADP y NADP+, transportadores sin carga, a las reacciones dependientes de la luz. Una nota dice que los transportadores se usan una y otra vez.

Una célula no produce ATP y NADPH nuevos desde cero cada vez. Los recicla. Con luz, la primera etapa carga el ADP y el NADP⁺ y los convierte en ATP y NADPH. La segunda etapa gasta la carga y devuelve ADP y NADP⁺. Si una de las dos etapas se detiene, el ciclo se detiene. Sin luz, no se producen ATP ni NADPH nuevos. Sin CO₂, la segunda etapa no puede gastar la carga de los transportadores, así que se acaban el ADP y el NADP⁺ vacíos que necesita la primera etapa.

¿De dónde viene el oxígeno?

Los científicos usaron oxígeno pesado (¹⁸O) como marcador
Matraz 1: ¹⁸O en el agua
Matraz 2: ¹⁸O en el CO₂
El O₂ coincidió con el agua, no con el CO₂

Gráfica de barras del oxígeno pesado en los átomos de oxígeno. Matraz 1: el agua aportó 0.85 por ciento, el dióxido de carbono 0.20 y el oxígeno liberado 0.85. Matraz 2: el agua 0.20, el dióxido de carbono 0.85 y el oxígeno liberado 0.20.

Podrías pensar que el O₂ que libera la fotosíntesis viene del CO₂, porque el CO₂ también tiene átomos de oxígeno. En datos de muestra de un experimento con marcadores, a unas algas se les dio agua o CO₂ hechos con una forma pesada de oxígeno (¹⁸O). En el matraz 1, el agua estaba marcada, y el O₂ liberado tuvo la misma cantidad de marcador que el agua (0.85%). En el matraz 2, el CO₂ estaba marcado, y el O₂ liberado no (0.20%). Así que el O₂ viene del agua, que las reacciones dependientes de la luz separan.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: ¿A dónde va la luz del Sol?

En este modelo, 1,000 J de luz solar llegan a una hoja. De esa energía, 200 J se reflejan o atraviesan la hoja, 760 J se pierden como calor y 40 J se almacenan en azúcar. (a) ¿Qué porcentaje se almacena en azúcar? (b) ¿Cuánta energía se almacenaría con 25,000 J de luz solar? (c) ¿Para qué le sirve a la planta la energía almacenada?

Barra dividida en tres partes para 1,000 J de luz solar que llegan a una hoja: 200 J se reflejan o atraviesan la hoja, 760 J se pierden como calor y 40 J se almacenan en azúcar.

Mostrar la solución

(a) Porcentaje almacenado: 40 J ÷ 1,000 J × 100 = 4%
Comprueba el balance: 200 + 760 + 40 = 1,000 J
(b) Escala: 25,000 J ÷ 1,000 J = 25, así que 25 × 40 J = 1,000 J
(c) Uso: la energía de los enlaces de la glucosa se puede liberar después mediante la respiración celular, o la glucosa se puede usar para construir almidón, celulosa y otras moléculas.
Respuesta: Se almacena el 4%. Con 25,000 J de luz solar se almacenarían 1,000 J. Los valores del modelo son números de muestra.

Ejemplo 2: ¿De dónde viene el oxígeno?

Usa los datos del marcador. (a) ¿El oxígeno de cuál matraz vino del agua? (b) Escribe una afirmación sobre el origen del O₂, da tu evidencia y explica tu razonamiento.

Gráfica de barras del oxígeno pesado en los átomos de oxígeno de dos matraces, como en la lección.

Mostrar la solución

(a) Compara las barras: en el matraz 1, el agua tiene 0.85% de oxígeno pesado y el O₂ liberado tiene 0.85%. En el matraz 2, el agua tiene 0.20% y el O₂ tiene 0.20%.
Afirmación: el O₂ que se libera en la fotosíntesis viene del agua, no del CO₂.
Evidencia: el O₂ tuvo la misma cantidad de marcador que el agua en los dos matraces (0.85% y 0.20%). Cuando el CO₂ llevaba el marcador (matraz 2), el O₂ no lo tuvo (0.20%).
Razonamiento: los átomos conservan su identidad en una reacción, así que un marcador en los productos tuvo que venir del reactivo que lo llevaba. Esto coincide con las reacciones dependientes de la luz, que separan el agua.
Respuesta: El O₂ viene del agua. Coincidió con el marcador del agua en los dos matraces.

Ejemplo 3: Sin dióxido de carbono

Usa el modelo de las dos etapas. Una planta con luz intensa se coloca en aire que no tiene CO₂. (a) ¿Cuál etapa se detiene primero? (b) Predice qué pasa con el suministro de ADP y NADP⁺. (c) Predice qué pasa con la producción de O₂ a lo largo del tiempo y explica.

Modelo de un cloroplasto con las reacciones dependientes de la luz en las membranas de los tilacoides y las reacciones independientes de la luz en el estroma, con los reactivos y los productos de cada una rotulados.

Mostrar la solución

(a) La primera en detenerse: las reacciones independientes de la luz, porque el CO₂ es uno de sus reactivos y sin él no pueden producir glucosa.
(b) Transportadores: las reacciones independientes de la luz dejan de usar ATP y NADPH, así que dejan de devolver ADP y NADP⁺. El suministro de transportadores vacíos se acaba.
(c) Oxígeno: sin ADP y NADP⁺, las reacciones dependientes de la luz no pueden producir más ATP y NADPH, así que se hacen más lentas y se detienen. La separación del agua también se detiene, así que la producción de O₂ baja con el tiempo.
Patrón: las dos etapas dependen una de la otra, aunque solo una use la luz directamente.
Respuesta: La etapa independiente de la luz se detiene primero. Después se acaban los transportadores y la producción de O₂ se detiene.

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Práctica

Nombra los reactivos y los productos de cada etapa en un modelo del cloroplasto, compara las dos etapas y usa datos de marcadores para hallar de dónde viene el oxígeno. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.

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Diapositivas de la lección

Diapositivas 8.2: Etapas de la fotosíntesis (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

Reacciones dependientes de la luz: membranas de los tilacoides, producen O₂, ATP y NADPH
Reacciones independientes de la luz: estroma, usan CO₂, ATP y NADPH para producir glucosa
El ADP y el NADP⁺ se reciclan entre las dos etapas
El O₂ viene del agua, no del CO₂

De vuelta a la pregunta esencial: las reacciones dependientes de la luz, en las membranas de los tilacoides, usan luz y agua para producir oxígeno, ATP y NADPH. Las reacciones independientes de la luz, en el estroma, usan ese ATP y ese NADPH, además de CO₂, para producir glucosa, y devuelven ADP y NADP⁺. A continuación investigarás qué acelera y qué frena este proceso.

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