Fotosíntesis
La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas, las algas y algunas bacterias usan la energía de la luz para convertir el dióxido de carbono y el agua en glucosa y oxígeno.
Formula
6CO_2 + 6H_2O + \text{light} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2
Definition
La fotosíntesis es la manera en que las plantas producen su propio alimento: toman dióxido de carbono del aire y agua del suelo, y usan la energía de la luz solar para convertirlos en azúcar, liberando oxígeno como sobrante. Los productores, como las plantas, las algas y las cianobacterias, convierten la energía de la luz en energía química almacenada en la glucosa dentro de los cloroplastos, donde la clorofila absorbe la luz, y la reacción global es $6CO_2 + 6H_2O + \text{light} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$. El proceso se desarrolla en dos etapas acopladas. En las reacciones dependientes de la luz, en la membrana tilacoide, el fotosistema II usa la energía de los fotones para dividir el agua ($2H_2O \rightarrow 4H^+ + 4e^- + O_2$), los electrones pasan por una cadena de transporte de electrones que bombea protones hacia el lumen tilacoide, la ATP sintasa usa el gradiente para producir ATP, y el fotosistema I reduce el NADP$^+$ a NADPH. En el ciclo de Calvin, en el estroma, la rubisco fija el $CO_2$ sobre la ribulosa-1,5-bisfosfato, y el ATP y el NADPH reducen los productos a gliceraldehído-3-fosfato, a partir del cual se construyen la glucosa y otros carbohidratos.
Example
Una planta de frijol en un alféizar soleado crece más cada semana aunque nadie la alimente, porque construye hojas y tallos a partir de azúcar hecha de aire, agua y luz. Producir $1$ molécula de glucosa requiere $6$ moléculas de $CO_2$ y $6$ de $H_2O$ y libera $6$ moléculas de $O_2$; al contar los átomos se obtienen $6$ carbonos, $12$ hidrógenos y $18$ oxígenos en cada lado, así que la ecuación está balanceada. El ciclo de Calvin gasta $18$ ATP y $12$ NADPH por cada glucosa, y la fotosíntesis almacena unos $2{,}870\ \text{kJ}$ por mol de glucosa, aunque la eficiencia global de conversión de una planta de cultivo, de luz solar a biomasa, es típicamente de solo $1$ a $2$ por ciento.
Key Insight
Casi todo el oxígeno que respiras fue producido por la fotosíntesis, y cada comida que ingieres se remonta a una planta que capturó luz solar. El oxígeno liberado proviene del agua, no del dióxido de carbono, mientras que el carbono del $CO_2$ termina en el azúcar, razón por la cual las plantas están hechas principalmente de carbono tomado del aire. La fotosíntesis es una reacción redox en la que el agua se oxida y el dióxido de carbono se reduce, lo opuesto a la respiración celular, y como los cloroplastos y las mitocondrias usan el mismo mecanismo quimiosmótico, una célula vegetal es a la vez un colector solar y una celda de combustible.