Fotosíntesis: fase luminosa y ciclo de Calvin

¿Qué entra, qué sale y en qué parte del cloroplasto?

Solo algunos organismos hacen fotosíntesis. Son los fotoautótrofos: producen su alimento usando la luz. Les hace falta clorofila, un pigmento que absorbe ciertas longitudes de onda y captura energía del Sol. Con dióxido de carbono y agua arman moléculas de carbohidrato y liberan oxígeno al aire. ^{1 4}

El cloroplasto guarda discos membranosos, los tilacoides, apilados en grana. Ahí está la clorofila. El líquido que rodea esas pilas es el estroma. El organelo, comparado con la mitocondria, está en el cloroplasto frente a la mitocondria. ^{3 2}

La primera etapa son las reacciones dependientes de la luz. Ocurren en el tilacoide. Absorben luz visible y forman dos moléculas que cargan energía: ATP y NADPH. Un fotón pega en los pigmentos antena del fotosistema II. La energía llega al centro de reacción, con clorofila a, y de ahí a una cadena de transporte que bombea protones hacia el interior del tilacoide. Esos protones vuelven a salir por la ATP sintasa, por quimiosmosis, y así se forma ATP. El fotosistema I absorbe otro fotón y con eso se forma NADPH. ^{1 2}

El fotosistema II transporta electrones desde el agua hacia la cadena. El oxígeno es un producto de ese fotosistema. En el mismo tramo, el agua se convierte en oxígeno gaseoso, el que respiramos. Por eso el O2 de la hoja no sale del CO2. ^{2 3}

La segunda etapa es el ciclo de Calvin, también llamadas reacciones independientes de la luz. Ocurre en el estroma. No necesita luz de forma directa. Usa el ATP y el NADPH de la etapa anterior para fijar CO2 y producir azúcares de tres carbonos, el gliceraldehído-3-fosfato o G3P, que luego se unen y forman glucosa. La enzima RuBisCO cataliza la reacción del CO2 con otra molécula orgánica, la RuBP. Cada tres vueltas, un G3P de tres carbonos sale del ciclo para volverse parte de un carbohidrato. El resto de los G3P se queda y regenera RuBP, lista para más CO2. Quién acelera esa fijación, como enzima, se retoma en quién baja la barrera en la fijación. ^{3 1}

El nombre "independiente de la luz" no significa "de noche". Si la fase luminosa se detiene, dejan de llegar ATP y NADPH, y el ciclo se queda sin con qué fijar carbono. La planta, además, tiene mitocondrias. Fotosíntesis y respiración se turnan el carbono y la energía. La ruta que vuelve a oxidar el azúcar está en la ruta que vuelve a oxidar ese azúcar. ^{1 3}

Ideas clave

• Fotoautótrofos, con clorofila. Usan luz, CO2 y agua para armar carbohidrato y soltar oxígeno. ^{1 4}
• Luz en el tilacoide. Sale ATP y NADPH. El fotosistema II saca electrones del agua y produce oxígeno. ^{2 1}
• Calvin en el estroma. Fija CO2 con RuBisCO y RuBP. No usa fotones directo. Gasta el ATP y el NADPH, y deja salir G3P. ^{2 1 3}
• Tres vueltas, un G3P exportado. Lo que no sale regenera RuBP. Esos G3P arman el azúcar. ^{1 3}
• Sin luz reciente, el ciclo también para. Depende de los cargadores que acaba de hacer la membrana del tilacoide. ^{3 1}

Ejemplos resueltos

Una hoja tapada a mediodía

Tapas una hoja iluminada con papel opaco. A los minutos mides el oxígeno que suelta y el azúcar que arma. Las dos cosas bajan. Alguien dice que el ciclo de Calvin "no usa luz, así que el azúcar debería seguir". ¿Por qué no sigue?

1. Las reacciones de la luz están en el tilacoide y necesitan fotones. Sin ellos no hay ATP ni NADPH nuevos. ^{2 1}
2. El ciclo de Calvin está en el estroma y no absorbe luz él mismo. Su materia de trabajo es justo ese ATP y ese NADPH, más el CO2. ³
3. Si los cargadores se acaban, fijar carbono se detiene aunque sea mediodía en el resto del jardín.
4. El oxígeno tampoco sigue, porque es producto del fotosistema II al tomar electrones del agua, y ese fotosistema es de la etapa luminosa. ²

¿De qué molécula sale el O2?

En un experimento mental marcas el oxígeno del agua y, por separado, el oxígeno del CO2. La planta iluminada suelta gas. ¿Qué marca esperas en ese gas, y qué marca en el azúcar nuevo?

1. El fotosistema II transporta electrones desde el agua, y el oxígeno es producto de ese fotosistema. El gas lleva la marca del agua. ²
2. El CO2 entra al ciclo de Calvin. RuBisCO lo une a RuBP y, tras las vueltas, sale G3P, que forma carbohidrato. El carbono fijado va al azúcar, no al gas. ^{1 3}
3. Por eso es un error decir que el O2 de la hoja "es el oxígeno del CO2 que sobró".
4. Agua y CO2 son reactivos del proceso global. Carbohidrato y oxígeno son lo que sale. ¹

Errores comunes

Pones el ciclo de Calvin en el tilacoide y la luz en el estroma. Es al revés. Luz y oxígeno, en el tilacoide. Fijación del carbono, en el estroma. ²

Crees que "fase oscura" significa de noche. El ciclo no pide fotones, pero sí pide ATP y NADPH, y esos se hacen con luz. ³

Atribuyes el oxígeno al CO2. El oxígeno gaseoso sale del agua en el fotosistema II. ^{2 3}

Y tratas la fotosíntesis como si fuera la respiración al revés, paso por paso. Las ecuaciones se parecen en los ingredientes, pero cada vía tiene sus propios pasos. ⁴

Cómo lo pregunta el examen

Casi siempre preguntan lugar, reactivo o producto. Si dicen oxígeno, tilacoide y agua. Si dicen azúcar, CO2, estroma, ATP y NADPH. Si el enunciado dice que el ciclo "solo de noche", es la trampa del nombre. Si dice que el oxígeno sale del CO2, también.

Resumen

• Los fotoautótrofos arman carbohidrato con luz, CO2 y agua, y liberan oxígeno.
• La fase luminosa ocurre en el tilacoide y produce ATP, NADPH y O2.
• El O2 es producto del fotosistema II, que toma electrones del agua.
• El ciclo de Calvin ocurre en el estroma, fija CO2 con RuBisCO y suelta G3P.
• Sin el ATP y el NADPH de la luz, el ciclo se detiene aunque no absorba fotones.