La hoja, el polígono industrial de nuestro cultivo (II)

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En la primera parte que hemos dedicado al órgano foliar de las plantas nos hemos referido a su morfología y a dos procesos bioquímicos que se realizan en ellas: la transpiración y la respiración. Pero tan importantes como estos, incluso más importante, es el proceso de la fotosíntesis y que vamos a desarrollar de una forma mucho más concreta en esta segunda parte.

Por Victor Bataller (TRABE)

Hay que tener en cuenta que no siempre la fotosíntesis ni el intercambio de gases se realiza de forma exclusiva en las hojas. Hay plantas con tallos verdes que son los responsables de realizar la fotosíntesis y otras en donde incluso las hojas son prácticamente inexistentes. Es el caso de los cactus que para evitar pérdidas por evapotraspiración reducen la superficie foliar al mínimo posible para limitar la presencia de estomas, de hecho, sus hojas realmente son las púas tan características de esta familia de plantas y que a su vez son muy útiles para atrapar de la escasa humedad del aire las gotitas de agua que caen al suelo cerca de donde se encuentran sus raíces. Ante una superficie foliar tan escasa es el tallo quien realiza la actividad fotosintética.

Otro ejemplo muy similar son las plantas de la familia de las “pináceae” como el pino. Sus hojas son las que dan nombre a la familia: son simples, lineales y con forma de aguja, dispuestas en espiral pero en un mismo plano, agrupadas en grupos de 2 a 5 unidades (formando lo que botánicamente se conoce como pinus) con pecíolos cortos. Estos portentosos árboles cuando forman bosques, también conocidos como pinares, tienen una importancia crucial en muchas regiones como el archipiélago canario ya que son los responsables de la “lluvia horizontal”. Por acción de los vientos alisios, generados por influencia del Anticiclón de las Azores, las nubes formadas sobre el Atlántico son empujadas hacia el sur. Las Islas Canarias gracias a su elevada orografía sirven de barrera física creándose un “mar de nubes” que a ras de suelo se traduce en una espesa niebla cargada de humedad. Esta se condensa al tocar con las delgadas hojas del pinar y caen al suelo en un constante goteo. Gracias a este fenómeno una región que apenas dista 100 kilómetros del desierto del Sahara, el más duro del planeta, se le considera como uno de los vergeles naturales más bellos del hemisferio norte.

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La Fotosíntesis

A principios del siglo XVII el científico Jean Baptiste Von Helmont ideó un experimento que intentaba demostrar que las plantas crecían gracias al agua que absorbían. Para ello llenó un recipiente hermético con 100 kilos de tierra que previamente había secado totalmente introduciéndola en un horno. Luego le aportó agua de lluvia y plantó un sauce. Durante los siguientes cinco años solo aportó a este recipiente agua de lluvia y todas estas aportaciones las iba anotando en su cuaderno de campo. Después de los cinco años arrancó el árbol con todas sus raíces y determinó que pesaba exactamente 84,586 kilos. Luego volvió a secar toda la tierra y encontró que solo faltaban 56 gramos para llegar al peso original. Concluyó entonces que la madera, corteza y raíces procedían del agua exclusivamente. Posteriormente otro científico, Joseph Priestley, descubrió que además de agua las plantas también absorben dióxido de carbono y desprenden oxígeno por lo que las afirmaciones que había realizado anteriormente Von Helmont no eran del todo correctas. A finales del siglo XVII el investigador Ian Ingenhousz demostró que las plantas ceden oxígeno a la atmósfera cuando hay suficiente luz solar, lo que le permitió afirmar que la luz es necesaria para la producción de oxígeno en las plantas.

En la fotosíntesis las células con clorofila de las plantas verdes atrapan una pequeña cantidad de energía luminosa para convertir el dióxido de carbono que toman del aire y el agua que toman del suelo en azúcares y oxígeno. El balance de todo el proceso sería:

6 C2O + 6 H2O + ATP (energía) → C6H12O6 + 6 O2

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Todo el proceso de la fotosíntesis se realiza en un orgánulo llamado cloroplasto que se encuentra en las células vegetales y tienen en su interior la sustancia conocida como clorofila, un pigmento que también se encuentran en las algas y en algunos organismos procariotas.

La estructura de las moléculas de clorofila tiene dos partes: un anillo de porfirina y una cadena larga llamada fitol. El anillo de porfirina es un tetrapirrol, es decir, un anillo formado a su vez por otros cuatro anillos pentagonales de pirrol enlazados entre sí formando otro anillo mayor. Al igual que la clorofila otras moléculas muy conocidas por nosotros como la hemoglobina contienen una porfirina con un grupo hemo donde un átomo de hierro capta la molécula de oxígeno. La porfirina de la clorofila lleva en lugar del hierro un átomo de magnesio. La absorción de determinados picos del espectro de radiación solar es una capacidad en moléculas orgánicas que contienen dobles enlaces conjugados, o lo que es lo mismo, dobles enlaces alternando con enlaces simples. El anillo de porfirína es rico en tales enlaces y de ahí que sea capaz de captar la luz solar.

El fitol es una cadena hidrocarbonada con radicales de metilo (-CH3) a lo largo. Tiene, como todas las cadenas orgánicas basadas sólo en Carbono e Hidrógeno, un carácter “hidrófobo”, es decir, repele al agua. El fitol le sirve para anclar la molécula de clorofila en la estructura alifática de los complejos moleculares.

La fotosíntesis se produce en dos fases sucesivas: la primera se conoce como fase luminosa ya que se realiza en presencia de luz (durante el día) y la otra se denomina fase oscura o afotónica que se produce durante la noche.

En la fase luminosa la clorofila capta la luz necesaria para la fotosíntesis y trae como consecuencia tres procesos:

Fotólisis del agua: ocurre por la descomposición de la molécula de agua en sus dos elementos constituyentes, es decir, hidrógeno y oxígeno por acción de la luz. Este oxígeno es el que posteriormente será liberado a la atmósfera a través de los estomas de las hojas. Esta es la razón de que las plantas sean potencialmente productoras de oxígeno para la vida.

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Luz

2 H2O → O2 + 4H+ + 4e

Síntesis de nicotinamida-adenin-dinucleótido fosfato (NADPH):
NADP+ + 2 H* + 2 e → NADPH + H+

Síntesis de adenosin-trifosfato (ATP): se forma a partir del adenosin-difosfato (ADP) y el fosfato inorgánico (Pi)

ADP + P → ATP + H2O

El ATP y el NADPH es el objetivo final de todo el proceso. El ATP es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular tanto en las plantas como en los animales ya que es consumido por muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos. El NADPH es una coenzima que interviene en numerosas vías anabólicas. Proporciona parte del poder reductor necesario para las reacciones de reducción en procesos de biosíntesis.

Son esenciales tanto en reacciones anabólicas como catabólicas. Las rutas catabólicas suministran energía química en forma de ATPNADH+H+, NADPH+H+ y FADH2. Estos transportadores de energía se utilizan en las rutas anabólicas para convertir moléculas precursoras pequeñas en macromoléculas celulares. En los procesos anabólicos actúa como cofactor de las reductasas.

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Durante la fase oscura se realiza la síntesis de la glucosa mediante la participación del NADPH y el ATP producidos en la etapa luminosa además del Dióxido de Carbono que es tomado de la atmósfera. En esta etapa no se requiere de luz para realizar sus funciones. Las fases más importantes de este ciclo son:

Fijación del dióxido de carbono: el dióxido de carbono se encuentra incrustado en la estructura de un carbohidrato y dependiendo de la planta la fijación se realiza por medio de distintos procesos bioquímicos

Ciclo de Calvin: el dióxido de carbono se integra formando moléculas orgánicas sencillas a partir de las cuales se formará el resto de los compuestos bioquímicos. La primera enzima que interviene es RuBisCO que fija el CO2 atmosférico uniéndolo a una molécula orgánica llamada ribulosa-1,5-bifosfato. Por cada 6 moléculas de CO2 fijado, la estequiometría final del ciclo de Calvin sería:

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3RuBP + 6CO2 + 12NADPH + 18 ATP + 12H+ + 6H2O

6RuBP + C6H12O6 + 12NADP+ + 18ADP + 18 Pi

Esto quiere decir que por cada 6 moléculas de CO2 se formará una molécula de azúcar, un fosfato de 6 átomos de carbono también conocido como hexosa. Su principal función es producir energía ya que un gramo de cualquier hexosa produce unas cuatro kilocalorías de energía. Las más importantes desde el punto de vista biológico son la glucosagalactosa y fructosa.

Las plantas fabrican sus propios alimentos a partir de las sales minerales, el agua, el dióxido de carbono, el oxígeno y la luz solar. Esto le hace formar parte del grupo de seres vivos autótrofos.

Esta es la representación de la estructura de una hoja con sus distintas partes.

Esta es la representación de la estructura de una hoja con sus distintas partes.

Las plantas también realizan la respiración. Durante el día y la noche toman el oxígeno que que se introduce en la planta no sólo por los estomas y lenticelas de las hojas sino también por las raíces y los poros del tallo. Las plantas utilizan este oxígeno para obtener energía de los alimentos que fabricaron durante el día en la fotosíntesis. En este proceso se desprende también dióxido de carbono que sale por los estomas y la energía la utilizan para realizar sus funciones vitales como crecer, reproducirse, mantener un proceso de termoregulación, absorción de nutrientes, etc…

 Aunque las plantas realizan la respiración durante todo el día la mayor cantidad de oxígeno lo toman durante la noche. También durante la noche es cuando expulsan la mayor parte del dióxido de carbono el cual es tóxico para todos los mamíferos. Por ello no es conveniente dormir en lugares cerrados donde haya muchas plantas.

La aportación de nuestros cultivos a la vida en nuestro planeta es de un valor incalculable. Cada una de nuestras plantas es una factoría para la vida y gran responsabilidad en ello la tienen las hojas.

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