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7.3.2.2. Fase biosintética u oscura

Fase biosintética u oscura de la fotosíntesis

Aunque a esta fase que comprende las reacciones que reducen y asimilan el CO2 se le sigue llamando “fase oscura”, no es muy correcto, ya que algunas enzimas responsables de estas reacciones, como fosfatasas, quinasas y deshidrogenasas necesitan ser estimuladas por la energía lumínica.

La finalidad de la fase biosintética es la síntesis de materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando la energía (ATP) y el poder reductor (NADPH) obtenidos en la fase fotoquímica. Se puede dividir en:

  • Síntesis de compuestos de carbono: se realiza en el estroma mediante el ciclo de Calvin, donde se fija CO2, utilizando el ATP y NADPH obtenido en la fase luminosa, que puede continuar el ciclo o seguir otras rutas biosintéticas. Por cada molécula de CO2 que se fija, se gastan tres ATP y dos NADPH.
  • Síntesis de compuestos orgánicos nitrogenados: a partir del NADPH y el ATP obtenido en la fase luminosa, los iones nitrato que se encuentran en el suelo se reducen a iones nitrito, y después a amoniaco.
  • Síntesis de compuestos orgánicos con azufre: a partir del NADPH y el ATP obtenido en la fase luminosa se reduce el ion sulfato a ion sulfito y después, a sulfuro de hidrógeno.

Por las reacciones de la fase fotoquímica, las células captaban energía luminosa y la convertían enenergía eléctrica (flujo de electrones) y la energía eléctrica se transforma en energía química almacenada en los enlaces de NADPH y ATP.

En la fase biosintética, esta energía se utiliza para reducir carbono y sintetizar glúcidos. Las células fotosintéticas toman el carbono del dióxido de carbono, que en las algas, se encuentra disuelto en el agua, y en las plantas, a través de los estomas.

Aunque estas reacciones se producen independientemente de la presencia o no de luz, requieren de NADPH y ATP, que sólo se pueden formar si hay luz, por lo que no es del todo correcto referirnos a la fase biosintética como fase oscura.

La reducción del carbono se produce en el estroma del cloroplasto, donde se producen unas reacciones cíclicas llamadas ciclo de Calvin en honor a su descubridor, Melvin Calvin.

Ciclo de Calvin o ciclo de las pentosas: Vía de tres carbonos

En el ciclo de Calvin, como en el ciclo de Krebs, el compuesto inicial, después de una vuelta, se regenera. En el ciclo de Calvin, la molécula que inicia el ciclo es un glúcido de cinco carbonos con dos grupos fosfato, la ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP).

La molécula de RuBP (5 carbonos) se une a una molécula de dióxido de carbono (1 carbono) y se separan rápidamente formando dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico (o PGA) (3 carbonos), de las que una contiene la molécula de CO2 que se acaba de unir.

Como el ácido 3-fosfoglicérico fue una de las primeras moléculas identificadas de este ciclo, al ciclo de Calvin también se le llama vía C3 o de tres carbonos.

En el estroma del cloroplasto, con la participación de la enzima RuBisCO, es donde se produce la unión de la RuBP con CO2 y su escisión en dos moléculas de PGA.

El nombre de RuBisCO es la forma abreviada con que se denomina a la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa oxigenasa, que cataliza dos procesos opuestos:

  • La fijación del CO2 (carboxilasa).
  • La fotorrespiración, en la que actúa como oxigenasa del mismo sustrato.

La RuBisCO es la proteína más abundante de la Tierra (el 15 % de todas las proteínas presentes en el cloroplasto). Tiene que ser muy abundante porque sólo puede fijar tres moléculas de CO2 por segundo.

El ciclo comienza cuando 3 moléculas de CO2 se unen a la ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP) y se separan en 6 PGA, para después reducirse a gliceraldehído-3-fosfato (GAP), utilizando el NADPH y el ATP formados en la cadena de transporte electrónico de la fase fotoquímica de la fotosíntesis.

La transformación de PGA en GAP consta de dos pasos:

  • Primero, se fosforilan las seis moléculas de PGA para formar seis moléculas de ácido-1,3-bifosfoglicérico (BPG) utilizando seis moléculas de ATP.
  • Después, el BPG se reduce con los electrones que recibe del NADPH, para formar gliceraldehído-3-fosfato (GAP).

De las seis moléculas obtenidas de GAP, sólo una de ellas se utiliza para sintetizar glúcidos en elcitosol, por lo que se puede considerar el producto de las reacciones independientes de luz. Las otras cinco moléculas de GAP que se han formado, se volverán a transformar en tres moléculas de ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP), que volverán a unirse a otras de CO2 en otra vuelta del ciclo. Para producir nuevamente la RuBP se necesita la energía de tres moléculas de ATP.

El gliceraldehído 3-fosfato se utilizará para formar glucosa u otros glúcidos. Además, también pueden ir al citoplasma y entrar en el ciclo de Krebs para proporcionar energía, o quedarse en el cloroplasto para sintetizar glúcidos, lípidos, aminoácidos o bases nitrogenadas. Recuerda que hemos visto que el gliceraldehído fosfato se formaba cuando la molécula de fructosa bifosfato se transformaba en el cuarto paso de la glucólisis.

Balance energético

La síntesis de glúcidos conlleva un alto gasto energético. Para fijar 3 moléculas de CO2 y producir 1 de GAP son necesarias 9 de ATP y 6 de NADPH. O lo que es lo mismo, para fijar 6 moléculas de COen una molécula de 6 carbonos como la glucosa, y regenerar la ribulosa-1,5-bifosfato requiere 12 moléculas de NADPH y 18 moléculas de ATP.

La reacción global de la fase biosintética de la fotosíntesis es:

6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP → 1 Hexosa + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi

CO2 + H2O + luz → C6H12O6

Las reacciones que se producen en el ciclo de Calvin se dan en todas las algas y en la mayoría de las plantas, siendo la única forma de que sus células transformen el carbono inorgánico del aire en moléculas orgánicas necesarias para la vida.

En cada vuelta del ciclo de Calvin, entra una molécula de dióxido de carbono, se reduce y se regenera una molécula de RuBP. Se necesitan tres vueltas al ciclo para obtener un glúcido de 3 carbonos, el gliceraldehído fosfato. Para obtener un glúcido de 6 carbonos, como la glucosa, se necesitan que 6 moléculas de dióxido de carbono entren en el ciclo.

La ecuación global es:

6RuBP + 6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H+ + 12H2O → 6RuBP + glucosa + 18Pi + 18ADP + 12 NADP+

Resumen del Ciclo de Calvin

En cada vuelta del ciclo se introduce una molécula de dióxido de carbono. En este esquema se representan tres vueltas, las necesarias para sintetizar una molécula de gliceraldehído fosfato (3 carbonos). Tres moléculas de ribulosa bifosfato (RuBP), (3 x 5 carbonos), se combinan con tres de dióxido de carbono (3 x 1 carbonos), produciendo seis moléculas de fosfoglicerato (6 x 3 carbonos). Estas moléculas se reducen a seis moléculas de gliceraldehído fosfato. Cinco de estas moléculas de tres carbonos se combinan y reordenan para formar tres moléculas de cinco carbonos de RuBP. La otra molécula de gliceraldehído fosfato es el producto del ciclo de Calvin.

En cada vuelta del ciclo de Calvin, entra una molécula de dióxido de carbono, se reduce y se regenera una molécula de RuBP. Se necesitan tres vueltas al ciclo para obtener un glúcido de 3 carbonos, el gliceraldehído fosfato. Para obtener un glúcido de 6 carbonos, como la glucosa, se necesitan que 6 moléculas de dióxido de carbono entren en el ciclo.

La ecuación global es:

6RuBP + 6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H+ + 12H2O → 6RuBP + glucosa + 18Pi + 18ADP + 12 NADP+

Fotorrespiración

Si el clima se vuelve más cálido y las plantas cierran sus estomas para evitar la pérdida de agua, aumenta la concentración de O2 y disminuye la de CO2 dentro de la hoja. Se produce, entonces, la fotorrespiración.

La enzima RuBisCO, la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa oxigenasa, intervenía en la fijación del CO2, por ser carboxilasa, pero por ser oxigenasa, también interviene en la fotorrespiración, invirtiendo su actividad, fijando O2 y desprendiendo CO2, oxidando a la ribulosa-bifosfato añadiéndole el O2, lo que originará CO2 y H2O, lo que es un gasto energético para la planta.

La planta se protege así de la fotooxidación, aunque la fotorrespiración le perjudica, pues reduce la capacidad fotosintética de la planta al competir el CO2 y el O2 por el sitio activo de la RuBisCO y se pierde energía.

Vía de cuatro carbonos

Las plantas de climas tropicales, han resuelto este problema porque sus hojas tienen dos tipos de células distintas, lo que les permite tener los estomas abiertos, pero no lo vamos a ver este curso.


Preguntas que han salido en exámenes de acceso a la Universidad (Selectividad, EBAU, EvAU)

Aragón. Septiembre de 2018, Opción B, cuestión 3. Septiembre de 2017, opción B, 3. Junio de 2013, opción B. Cuestión 3. Septiembre de 2012, opción B, 4. 

A la vista de la imagen, conteste las siguientes cuestiones: (2,5 puntos)

a) ¿Qué proceso biológico se representa en la figura? (0,2 puntos)

b) ¿En qué orgánulo se realiza? (0,2 puntos)

c) ¿Qué tipo de células lo llevan a cabo? (0,2 puntos)

d¿Cuál es la función del agua en este proceso y en qué se transforma? (0,4 puntos)

e) Describa brevemente qué ocurre en las fases señaladas con los números 1 (0,5 puntos) y 2 (0,5 puntos)

f) Exprese mediante una ecuación global el proceso llevado a cabo en este orgánulo. (0,5 puntos) 

Aragón. Junio de 2016, opción A, cuestión 3.

Las células eucariotas poseen diversos orgánulos:

a) Identifique el orgánulo cuyo esquema aparece en la figura adjunta, así como las distintas partes del mismo señaladas con números (1 punto).

b) Indique el tipo de organismos en los que se encuentra este orgánulo y exprese, mediante la ecuación general del proceso, la función principal del mismo (0,5 puntos).

c) Indique los lugares concretos dentro del orgánulo en los que se llevan a cabo las distintas fases del proceso (0,5 puntos).

Aragón. Junio de 2015, opción B, cuestión 3Junio de 2006, opción A. Cuestión 5.

Observe atentamente este esquema y conteste a las cuestiones planteadas:

a) ¿Qué proceso representa el esquema? ¿En qué orgánulo se desarrolla? ¿En qué tipo de células? (0,25 puntos)

b) ¿Qué estructura es la señalada con el no 1? ¿Qué ocurre de forma global? ¿Qué papel tiene la luz? (0,25 puntos)

c) ¿Qué proceso es el señalado con el no 2 ¿Qué ocurre de forma global? ¿En qué sitio del orgánulo tiene lugar? (0,25 puntos)

d) ¿Puede escribir una reacción que refleje lo que sucede en conjunto? (0,25 puntos)

Aragón. Junio de 2011, opción A. 5. (2 puntos). Junio de 2005, opción A. Cuestión 4.

Responda a las siguientes cuestiones sobre la fotosíntesis:

a) ¿Por qué necesitan agua los cloroplastos? Razone la respuesta.

b) ¿Cuántas moléculas de CO2 se tendrán que incorporar al ciclo de Calvin para dar lugar a una molécula de sacarosa?

c) ¿Qué es un fotosistema?

d) ¿Qué diferencias existen entre la fase no cíclica y la cíclica?

Aragón. Junio de 2008, opción B. Cuestión 1. Septiembre de 2004, opción A. Cuestión 1.

Tema de desarrollo corto (3 puntos). El ciclo de Calvin o fase “oscura” de la fotosíntesis: localización e interpretación global del proceso.

Aragón. Junio de 2007, opción B. Cuestión 4.- (2 puntos):

En una célula vegetal:

a) ¿Dónde se desprende oxígeno y cuál es la razón por la que se desprende?

b) ¿Dónde se consume oxígeno y cuál es la razón de que se consuma?

c) ¿A qué molécula se debe el color verde de los vegetales? ¿Dónde se sitúa? ¿Qué papel desempeña esta molécula?

d) ¿Dónde se consume CO2? ¿Cuál es la razón por la que se consume?

Aragón. Junio de 2004, opción A. Cuestión 4.- (2 puntos)

Indique en qué orgánulos y en qué estructuras tienen lugar los siguientes procesos metabólicos y haga una breve descripción global los procesos indicados en los apartados c y d.

a) glucólisis

b) ciclo de Krebs

c) cadena de transporte electrónico fotosintético

d) cadena respiratoria y fosforilación oxidativa

e) fijación del CO2

Cantabria, Julio de 2019, opción 2, cuestión 3

Represente mediante un esquema los acontecimientos que tienen lugar en la fase oscura de la fotosíntesis, indicando los productos más importantes obtenidos en este proceso biológico. (1,5 puntos)

Castilla y León, Julio de 2019, opción B, cuestión 3

Respecto al ciclo de Calvin:

a) Indique si se trata de un proceso anabólico o catabólico. ¿En qué orgánulo tiene lugar y en qué parte del mismo? (0,5)

b) Señale la molécula que se regenera en el ciclo y el coenzima reducido que se requiere. (0,5)

c) Indique la molécula que aporta energía al ciclo de Calvin y en qué etapa se ha obtenido dicha molécula. (0,5)

d) Explique cuál es la finalidad de este ciclo. (0,25)

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