La captación de energía solar por organismos fotosintéticos y su conversión en la energía química de compuestos orgánicos reducidos es la fuente fundamental de casi toda la energía biológica.Los organismos fotosintéticos atrapan la energía solar formando ATP y NADPH, que utilizan como fuentes de energía para fabricar carbohidratos y otros componentes orgánicos a partir de CO2 y H2O;de forma simultánea desprenden O2 a la atmósfera.

FotosíntesisLa fotosíntesis es la segunda forma principal de obtención de ATP, ocurre en la membrana plasmática de las bacterias y los cloroplastos de las algas y plantas.En las plantas, los principales productos son dos carbohidratos: sacarosa, un disacárido de glucosa y fructosa, y almidón, un gran polímero de glucosa insoluble que es el principal carbohidrato de almacenamiento.Mientras el almidón se sintetiza en los cloroplastos, la sacarosa en el citosol a partir de precursores producidos por el cloroplasto. Se transporta a los tejidos no fotosintéticos.

Fotosíntesis anoxigénica

Fotosíntesis oxigénicaSi un organismo va a realizar la fotosíntesis oxigénica tiene que generar un agente oxidante muy fuerte como parte de su metabolismo fotosintético para tirar de los electrones bien sujetos del agua.La reacción general de la fotosíntesis generadora de oxigeno es la inversa de la reacción general por la cual los carbohidratos son oxidados a CO2 y H2O:

6 CO2 + 6H2O 6 O2 + C6H12O6

El proceso fotosintético puede dividirse en dos series de reacciones:

Durante las reacciones dependientes de luz, la energía de la luz se almacena químicamente mediante ATP y NADPH.

Durante las reacciones independientes de la luz (o “fase oscura”), los carbohidratos se sintetizan a partir de dióxido de carbono con la energía almacenada en el ATP y el NADPH producidos en las reacciones dependientes de luz.

Estas dos series de reacciones ocurren en cuatro etapas:

La formación de ATP, NADPH y O2 son dos procesos fotosintéticos que están separados el uno del otro, pero interconectados por elaborados mecanismos de retroalimentación.

Todas las reacciones de la fotosíntesis se llevan a cabo en el cloroplasto, organelo celular encargado de producir energía química a partir de la luz solar.

En el cloroplasto ocurre el fenómeno que se conoce como fotofosforilación, u obtención de ATP a partir de la energía de un fotón.

CloroplastoLas interconversiones en el cloroplasto ocurren por mecanismos quimiosmóticos y se localizan sobre todo en las células mesófilas de las hojas.Tienen una membrana externa altamente permeable, con porinas que permiten el paso de metabolitos secundarios de bajo peso molecular.Generalmente, la membrana interna de los cloroplastos no está plegada formando crestas y no contiene cadena transportadora de electrones.

La cadena transportadora, el sistema fotosintético y una ATPasa están contenidos en la membrana tilacoidal, una tercera membrana que forma un conjunto de sacos discoidales aplanados, los tilacoides, apilados en granas.La membrana interna es mucho menos permeable en la que están embebidas proteínas de transporte que regulan el movimiento de los metabolitos hacia adentro y hacia afuera del organelo.Ninguna de las dos primeras membranas participan en la fotosíntesis.La membrana interna delimita un gran espacio llamado estroma, análogo a la matriz mitocondrial. El estroma almacena ribosomas, ARN y ADN.

Se cree que el lumen de cada tilacoide se conecta con el de otros tilacoides definiendo un espacio tilacoidal.

La cabeza de la ATP sintasa del cloroplasto sobresale de la membrana tilacoidal hacia el estroma (en la mitocondria lo hace hacia la matriz).La membrana tilacoide contiene proteínas

integrales de membrana a la que se unen grupos proteínicos y pigmentos (fotosistemas I y II y complejos de citocromos Cytb6f)

FotofosforilaciónMecanismo mediante el cual los organismos fotosintéticos captan la luz solar, la fuente fundamental de energía de la biosfera y la utilizan para sintetizar ATP.Existen tres mecanismos que permiten la obtención de ATP:

Fosforilación a nivel sustrato.Fosforilación oxidativa.Fotofosfotilación.

Difiere de la fosforilación oxidativa en que necesita el aporte de energía en forma de luz.

En eucariontes, la fotofosforilación ocurre en los cloroplastos; la fosforilación produce la reducción de O2 a H2O gracias a los electrones cedidos por el NADH y FADH2 y tiene lugar tanto en la luz como en la oscuridad, mientras que la fotofosforilación produce la oxidación de H2O a O2 con NADP+ como aceptor electrónico fundamental y depende absolutamente de energía fotónica.

Existen tres semejanzas:a)En ambos procesos interviene un flujo de

electrones a través de una cadena de trasportadores ligados a membrana.

b)La energía libre puesta a disposición por este flujo de electrones está acoplada al transporte “cuesta arriba” de protones a través de una membrana impermeable (fuerza protón-motriz).

c)El flujo de protones está regulado por una ATP sintasa que acopla este flujo a la producción de ATP.

Etapa 1: Absorción de la luz

Es el paso inicial de la fotosíntesis y consiste en la recepción de la luz (fotón) por las proteínas de las membranas tilacoides.El contenido de energía de un fotón depende de la longitud de onda: mientras más corta sea la longitud de onda, mayor es el contenido de energía.Cuando una molécula absorbe un fotón, un electrón se vuelve lo bastante energético para trasladarse de un orbital interno a uno externo (excitación).

El estado excitado de una molécula es inestable y dura sólo 10-9 segundos.La energía de la luz absorbida se utiliza para eliminar electrones desde un donador poco inclinado a hacerlo (agua), para formar oxígeno,

2H2O O2 + 4H+ + 4e-

(fotólisis del agua) y luego para transferir los electrones a un aceptor primario, una quinona (Q), similar a la CoQ.Los pigmentos absorben solamente una longitud de onda determinada dentro del espectro visible; la longitud que reflejan es la que le da su color.La clorofila absorbe con mayor intensidad el azul y el rojo, mientras que refleja las longitudes intermedias verdes.

Unidad fotosintéticaLos fotosistemas son complejos proteínicos asociados a grupos prostéticos que perciben la energía de un fotón para excitar un electrón y promover la fotólisis del agua.Se compone de dos elementos:

a) Un centro de reacción fotoquímicob) Una antena recolectora de la luz

Las proteínas LHC (Light Harvesting Complex), o complejos de captación de luz, no transfieren el fotón a través de su estructura, sino la energía de excitación que otorga el fotón.Un fotón de λ 680nm transfiere una energía de 42Kcal/mol a la proteína LHC que pasa esta energía hasta llegar al centro de reacción.Aquí, desprende un electrón con la energía del fotón que incidió en un punto determinado de la antena.

Además del centro de reacción, la antena recolectora puede tener pigmentos accesorios que respondan ante diferentes longitudes de onda.Por excelencia, es la clorofila a el principal centro de reacción.Está molécula energizada de clorofila a en un centro de reacción de una planta dona rápidamente un electrón a un aceptor intermediario y el electrón pasa rápidamente al principal aceptor de electrones, la quinona Q, sobre la superficie estromal de la membrana tilacoide.

El transporte fotoelectrónico, que tiene lugar casi siempre que un fotón es absorbido, deja una carga positiva sobre la clorofila a cercana a la superficie luminal y genera un aceptor reducido cargado negativamente (Q-) cerca de la superficie estromal.El Q- producido por el transporte fotoelectrónico es una agente reductor poderoso con una fuerte tendencia a transferir un electrón a otra molécula y finalmente al NADP+.La clorofila a+ cargada positivamente, un agente muy oxidante, atrae un electrón de un donador electrónico sobre la superficie luminal para regenerar la clorofila a original.

En las plantas, el poder oxidante de cuatro moléculas de clorofila a+ se utiliza, por medio de intermediarios, para eliminar cuatro electrones de 2 moléculas de H2O unidas a un sitio sobre la superficie luminal para formar O2:

2H2O + 4 clorofilas a+ 4H+ + O2 + 4 clorofilas a

(La clorofila acepta los electrones de la fotólisis)La absorción de la luz por parte de la excitación fotoelectrónica genera la energía necesaria para conducir las reacciones subsiguientes: el transporte de electrones, la síntesis de ATP y la fijación del CO2.

Etapa 2: Transporte de electrones y generación de una fuerza protón-motriz

El primer aceptor de electrones es la quinona, que es el primer paso en un camino de transportadores que lleva la energía de excitación hasta un aceptor final de electrones, por lo general la forma oxidada de nicotinamida adenina dinucleótido de fosfato (NADP+) reduciéndolo a NADPH.El transporte de electrones está acoplado a un gradiente de protones: pHlumen < pHestroma.

La variación en el pH de las membranas internas de un cloroplasto se debe a la fuerza protón-motriz: los protones entran al espacio tilacoidal durante el flujo de electrones y luego salen al estroma por la ATP sintasa por la síntesis de ATP.

La sucesión de transportadores de la cadena fotoelectrónica es como sigue:

Fotosistema IIQuinona (Ciclo Q; elemento móvil)Citocromo b6f

Plastocianina (elemento móvil)Fotosistema IFerredoxinaFAD-NADPH reductasa (FNR)

FotosistemasLa fotosíntesis oxigénica emplea dos fotosistemas, y ambos transportan electrones en una “escalada energética” impulsados por la absorción de fotones.

El fotosistema II (FSII) es el que tiene realiza la fotólisis del agua y que transfiere la energía electrónica a una quinona.El fotosistema I (FSI) recibe la energía electrónica del citocromo y está asociado a la ferredoxina, una proteína que se activa con el FSI y que a su vez activa a la FNR, produciendo la reducción de NADP+ a NADPH.El centro de reacción del FSII es un dímero de clorofila conocido como P680 (la P se refiere a pigmento y el número 680 indica la longitud de onda percibida).El centro de reacción del FSI es un dímero de clorofila conocido como P700.

Fotosistema IIEl FSII es un complejo compuesto de 20 polipéptidos, la mayor parte de los cuales se localiza en el lumen del tilacoide.Dos de estas proteínas forman un dímero, D1 y D2, que se unen con el dímero de clorofila P680 y los cofactores que participan en el transporte de electrones: el complejo formador de oxígeno o complejo fragmentador de agua.

Primeramente, el FSII recolecta luz mediante fotones usando su unidad fotoquímica.Las proteínas antena transfieren la energía fotónica al centro de reacción P680.La absorción de energía en P680 excita un electrón y vuelve positivo el pigmento (P680+) que se transfiere a la feofitina (FeO), el receptor primario de electrones en el FSII (molécula de clorofila sin Mg+2).El electrón pasa a una plastoquinona (PQA) y luego, por un Fe+2 no hemo, a PQB, que forma luego un radical libre PQB

-.

La absorción de un segundo fotón envía otro electrón por la misma vía generando una PQB

2-.

Este compuesto toma dos protones desde el estroma y generan PQH2 (plastoquinol), que se libera a la bicapa lipídica y se sustituye con una nueva molécula oxidada de PQB.

La fotólisis del agua ocurre en un complejo conocido como complejo desarrollador de oxígeno, complejo productor de oxígeno, complejo que desprende oxígeno o complejo de escisión de agua.Los electrones se mueven de H2O mediante Tir2 al pigmento de reacción con carga positiva (P680+).La fotólisis requiere de un complejo en D1 de cuatro átomos de Mn+2 para poder catalizarse (pocos casos donde este elemento desempeña un papel biológico).El FSII debe perder un electrón y luego oxidar al complejo productor de oxígeno cuatro veces seguidas para formar una molécula de O2.

La actividad y la integridad del FSII pueden afectarse de manera negativa con luz muy intensa, este fenómeno se denomina fotoinhibición.

La reacción global del fotosistema II y del ciclo Q puede resumirse como sigue:

FSII 2P680 + 2hv 2P680+ + 2e-

PQ + 2e- + 2H+in

PQH2

Intramem-brana

2PQH2 + 2cyt c (Fe+3) 2PQ + 2cytc (Fe+2) + 4H+

out + 2e-

PQ + 2e- + 2H+in

PQH2

FSII 2cytc (Fe+2) + 2 P680+ 2cytc (Fe+3) + P680

Total: 2hv + 4H+in

4H+out

El complejo citocromo b6f une los fotosistemas II y I

El PQH2 es un elemento móvil que se difunde por la bicapa lipídica del tilacoide y que se une con un complejo proteínico conocido como citocromo b6f.

Es similar en estructura al citocromo bc1 de la mitocondria. Ambos complejos participan en un ciclo Q que traslada 4H+ por cada par de electrones.El complejo del citocromo contiene un citocromo b con dos grupos hemo (denominados bH y bL), una proteína ferrosulfurada de Rieske y el citocromo f.

Los electrones fluyen del complejo b6f desde PQBH2 al citocromo f y a continuación a la plastocianina y finalmente P700 reduciéndolo.Los electrones del citocromo b6f se pasan a otro portador móvil de electrones, una proteína periférica hidrosluble que contiene cobre conocida como plastocianina, situada en el lado luminal del tilacoide.

Esto genera un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide a medida que pasan los electrones del FSII al FSI.Como el volumen de la luz del tilacoide es pequeño, la entrada de un pequeño número de protones tiene un efecto considerable en el pH de la luz.La diferencia del pH entre el estroma (pH = 8) y la luz del tilacoide (pH = 5) representa una diferencia de 1000 veces la concentración de protones, proveyendo una importante fuerza motriz para la síntesis de ATP.

Fotosistema IEl centro de reacción del FSI se conoce como P700 y una elevada proporción de clorofila a respecto a la clorofila b.El P700 pasa electrones a la proteína Fe-S ferrodoxina y a continuación al NADP+ produciendo NADPH.Los electrones son transportados del complejo cytb6f al FSI por la plastocianina, un complejo móvil que transporta un único electrón y similar al cyt c de mitocondrias.

Fotosistema ILa plastocianina transporta electrones del lado luminal del FSI, donde se transfieren a P700+, el pigmento con carga positiva que se genera tras la excitación fotónica.Las reacciones bioquímicas de este fotosistema son semejantes a las que ocurren en el FSII.El centro de reacción P700 cede un electrón a un aceptor, clorofila A0, produciendo clorofila A0

- y P700+, una vez más, la excitación genera una separación de cargas en el centro fotoquímico.

El P700+ es un agente oxidante que rápidamente capta un electrón de la plastocianina. A0- es un agente reductor excepcionalmente fuerte, que pasa su electrón a través de una cadena de transportadores que origina NADP+.La filoquinona A1 acepta un electrón y lo cede a una proteína ferrosulfuroda, a través de tres centros de reacción Fe-S.De aquí, pasa a una proteína ferrosulfurada, la ferrodoxina (Fd), una proteína asociada débilmente a la membrana.

El último paso bioquímico conlleva a la generación de NADPH. Asociado al FSI se encuentra una flavoproteína conocida como ferrodoxina:NADP+ oxidorreductasa (o reductasa de ferrodoxina:NADP+; FNR), que transfiere electrones de la ferrodoxina reducida (Fdred) al NADP+:2Fdred + 2H+ + NADP+ 2Fdox + NADPH + H+

Esta enzima contiene un grupo prostético FAD capaz de aceptar dos electrones y transferirlos. Es homólogo a la ferrodoxina:NAD reductasa de las bacterias verde del azufre.En resumen: el flujo no cíclico de electrones produce oxidación de H2O en O2 con la transferencia de electrones a NADP+, la formación de NADPH y el establecimiento de un gradiente de protones (H+) a través de la membrana.

La reacción global del fotosistema I y las reacciones asociadas del FNR son las siguientes:

En esta reacción no existe un bombeo de protones.

FSI 2P700 + 2hv 2P700+ + 2e-

2Fdox + 2e- 2Fdred

FNR Fdred + H+ + FAD Fdox + FADH-

Fdred + H+ + FADH- Fdox + FADH2

FADH2 + NADP+ FAD + NADPH + H+

Total: 2P700 + 2hv + NADP+ 2P700+ + NADPH + H+

La reacción general del proceso de fotofosforilación hasta la etapa 2 queda como sigue:

FSII 2P680 + 2hv 2P680+ + 2e-

PQ + 2e- + 2H+in

PQH2

OEC H2O ½ O2 + 2H+out +

2 e-

2P680+ + 2e- + 2H+in

2P680

Cytb6f 2PQH2 + 2PC(Cu+2) 2PQ + 2PC(Cu+) + 4H+out +

2e-

PQ + 2H+in + 2e-

PQH2

FSI 2P700 + 2hv 2P700+ + 2e-

2Fdox + 2e- 2Fdred

FNR Fdred + H+ + FAD Fdox + FADH-

Fdred + H+ + FADH- Fdox + FADH2

FADH2 + NADP+ FAD + NADPH + H+

Total H2O + 4hv + 4H+in + NADP+ ½ O2 + 6H+

out + NADPH + H+

2H2O + 8hv + 8H+in + 2NADP+ O2 + 12H+

out + 2NADPH + H+

Este diagrama registra los potenciales de reducción durante la transferencia de electrones. El flujo de e- durante la fotosíntesis inicia con la absorción de un fotón por el par especial de pigmentos P600 y P700, convirtiendo las moléculas en grandes agentes reductores como se ve en gran decaimiento del potencial estándar de reducción, una disposición descrita como esquema Z por Robert Hill y Fay Bendall.

Etapa 3: Síntesis de ATP

Los protones se mueven en contra de su gradiente de concentración desde el lumen del tilacoide hacia el estroma a través del complejo FOF1 (ATP sintasa), el cual acopla el movimiento de protones a la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi.

El mecanismo por el cual el FOF1 del cloroplasto utiliza la fuerza protón-motriz para sintetizar ATP es idéntico al utilizado por la ATP sintasa en la membrana mitocondrial interna y en la membrana plasmática bacteriana.

La maquinaria de la ATP sintasa es semajante a la de la mitocondria en el cloroplasto: una cabeza CF1 que sobresale del estroma y una CFO que se localiza en la membrana tilacoidal.

El bombeo de protones ocurre de un pH = 8 en el estroma hacia un pH = 5 en el espacio tilacoidal. El gradiente de entre 3 y 3.5 unidades genera una fuerza protón-motriz de 200mV, que impulsa a la ATPsintasa.La catálisis rotacional ocupa secuencialmente cada una de las tres subunidades β de la ATP sintasa en la síntesis de ATP, liberación de ATP y unión de ADP y Pi.

La formación de ATP durante el proceso de fotosíntesis oxigénica se denomina fotofosforilación no cíclica porque los electrones se mueven con trayectoria lineal (no cíclica) del H2O a NADP+.

Los complejos FOF1 de la membrana tilacoide utilizan la fuerza protón-motriz generada durante el flujo lineal de electrones para sintetizar ATP sobre el lado estromal de la membrana.Por ende esta vía produce tanto NADPH como ATP en el estroma del cloroplasto, donde se utilizan para la fijación de CO2.

La reacción general para la fotofosforilación no cíclica es como sigue:

2H2O + 8 hv + 2NADP+ + 3ADP + 3Pi O2 + 3ATP + 2NADPH

Esto se deduce de la reacción global que se obtuvo anteriormente:

2H2O + 8hv + 8H+in + 2NADP+ O2 + 12H+

out + 2NADPH + H+

Ya que para producir una molécula de ATP se requiere de un gradiente de 4H+ (12H+ permiten formar 3ATP).

El flujo cíclico de electrones a través del PSI genera una fuerza protón-motriz, pero no NADPH ni O2.

La síntesis de ATP puede ocurrir en ausencia de oxidación de H2O por una proceso de fotofosforilación cíclica en el que el FSII no participa.

El pigmento P700 del FSI absorbe la luz, pasa a la ferrodixina y regresa al centro de reacción del FSI con deficiencia de electrones mediante el citocromo b6f. Cuando los electrones recorren la vía cíclica, los protones se trasladan a la luz tilacoide y luego impulsan la formación de ATP.

En el contexto fisiológico es importante la siguiente relación:Para que el FSII y el FSI actúen en secuencia durante el flujo lineal de electrones, la cantidad de energía luminosa entregada a los dos centros de reacción debe estar controlada para que cada centro active el mismo número de electrones.Si los dos fotosistemas NO son excitados por igual, el flujo cíclico de electrones tiene lugar en el FSI y el FSII se vuelve menos activo.Un mecanismo para regular la contribución lineal relativa y el flujo cíclico de electrones en los cloroplastos conlleva la fosforilación y desfosforilación reversibles de las proteínas asociadas con el complejo LHCII del PSII.

Etapa 4: Fijación del CO2

El ATP y el NADPH por la segunda y la tercera etapa de la fotosíntesis proporciona la energía y los electrones para impulsar la síntesis de polímeros de azúcares de seis carbonos a partir de CO2 y H2O. La ecuación química general balanceada se escribe:

6 CO2 + 18 ATP4- + 12 NADPH + 12 H2O

C6H12O6 + 18 ADP3- + 18Pi2- + 12 NADP+ + 6H+

De manera común se conoce a este proceso como ciclo de Calvin.

Los cloroplastos realizan numerosas reacciones metabólicas en las hojas verdes.Además de fijar el CO2, en el cloroplasto ocurre la síntesis de aminoácidos, ácidos grasos, carotenos, todas las purinas y probablemente todas las pirimidinas.La fijación del CO2 se produce en el estroma de los cloroplastos.La reacción que finalmente fija el CO2 en los carbohidratos es catalizada por la ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa (RuBisCO), que se concentra en el espacio estromal.Esta enzima constituye el 50% del peso de la proteína del cloroplasto y se considera que es la proteína más abundante de la Tierra, localizada también en todas las Cyanobacteria.

El CO2 de la atmósfera se combina con el compuesto de cinco carbonos de ribulosa 1,5-bisfosfato (R1,5BP) y agua produciendo dos moléculas de tres carbonos, el 3-fosfoglicerato (3PG).Como el CO2 inicialmente se incorpora a tres carbonos, el ciclo de Calvin se denomina vía 3 de fijación del carbono.El conjunto de reacciones ocurre con mucha lentitud (3 moléculas de sustrato por segundo), razón por la que en todos los cloroplastos existen múltiples copias de la enzima.

El ciclo de Calvin se conforma de tres etapas:

La primera etapa consiste en la fijación de carbono mediante la carboxilación de R1,5BP.La segunda etapa consiste en la reducción del carbono fijado en un compuesto de tres carbonos (gliceraldehído 3-fosfato, G3P) para comenzar la síntesis de hexosas.La tercera etapa es la regeneración de la R1,5BP, el compuesto de partida.

Este proceso requiere de gasto energético: se consumen tres moléculas de ATP y dos de NADPH por cada ciclo (cada fotofosforilación provee el “combustible” necesario para la síntesis de ATP).

El 3-fosfoglicerato formado por la RuBisCO tiene múltiples destinos: una parte se emplea para sintetizar sacarosa y almidón mientras otra se emplea para regenerar la ribulosa 1,5-bisfosfato.

La regeneración de la R1,5BP requiere tanto de NADPH como de ATP.

El ciclo comienza con la fijación de tres moléculas de CO2 gracias a la RuBisCO produciendo seis moléculas de 3-fosfoglicerato (un total de 6×3=18 átomos de carbono, 3 procedentes del CO2 y 15 de la ribulosa 1,5-fosfato).Estos 18 átomos de carbono recorren entonces un ciclo que permite su reconstitución en tres moléculas de R1,5BP (pero solamente son 3×5=15 átomos de carbono).El proceso genera como ganancia neta una molécula de 3-fosfoglicerato (con 3 átomos de carbono).En resumen: para producir un compuesto de tres carbonos en el ciclo de Calvin se requiere de utilizar 3CO2.

Como por cada CO2 que se convierte en carbohidrato se consumen tres moléculas de ATP y tres de NADPH. La ecuación neta es:

3CO2 + 9 ATP + 6NADPH + H2O G3P + 8Pi + 9ADP + NADP+

Esto regenera los sustratos requeridos para la fotofosforilación.Para generar una hexosa, se requiere dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato, es decir, que el ciclo de Calvin ocurra dos veces.Una vez que se condensa el CO2 (6 moléculas) con la ribulosa 1,5-bisfosfato (6) se forma 3-fosfoglicerato (12). Una primera fosforilación ocurre gracias al ATP (12), para producir 1,3 bisfosfoglicerato (12); posteriormente ocurren acopladas una oxidación de 12NADPH a 12NADP+ y la consecuente liberación de 12Pi, produciendo 12 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato.

10 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato pasan por un complejo de 7 enzimas que produce la liberación de 4Pi y regenera 6 ribulosa 5-fosfato. La última reacción consiste en la liberación de 6 moléculas de ribulosa 1,5-fosfato a partir de fosforilar la ribulosa 5-fosfato con 6ATP, produciéndose 6ADP.Dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato se acercan a un transportador de la membrana entre el estroma y el citosol mediante una proteína antiportadora de fosfato/triosafosfato.Esto permite que el gliceraldehído 3-fosfato pase al estroma y que sean introducidos dos Pi al estroma.

Las enzimas del Ciclo de Calvin que catalizan la fijación de CO2 se inactivan con rapidez en la oscuridad conservando por ende el ATP generado en la oscuridad para otras reacciones sintéticas, como la biosíntesis de aminoácidos y lípidos.Un mecanismo de control es la dependencia al pH de las enzimas del ciclo de Calvin. La RuBisCO se activa espontáneamente en presencia de CO2 y de Mg+2.

La mayor parte del gliceraldehído 3-fosfato que permanece en el cloroplasto es transformado en almidón en el estroma.En el citosol, el gliceraldehído 3-fosfato pasa a una vía de síntesis de sacarosa.

La síntesis de la sacarosa comienza con la condensación de dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato (dos ciclos de Calvin) en una molécula de fructosa 1,6-bisfosfato (F1,6BP).Ya en el citosol, una F1,6BP experimenta una desfosforilación liberando Pi. Una isomerasa convierte la F1,6BP en glucosa 1-fosfato (G1P), que mantiene a la molécula secuestrada en el citoplasma.Esta glucosa 1-fosfato reacciona con un UTP, desfosforila la G1P y produce una molécula de pirofosfato (PPi).

La otra F1,6BP experimenta una desfosforilación, liberando un Pi, generando fructosa 6-fosfato (F6P).

La UDP-glucosa permite que pueda unirse a otro compuesto fosforilado, la fructosa 6-fosfato, produciendo primero sacarosa 6-fosfato y UDP, y tras una desfosforilación adicional, se produce sacarosa y un Pi.

El almidón es un polímero de glucosa que se utiliza como reserva de carbohidratos. La producción de almidón se genera por un exceso de capacidad fotosintética y al producirse se condensa en corpúsculos oscuros electrodensos en el cloroplasto conocidos como pirenoides.En el estroma se desarrolla una glucólisis inversa, que transforma el gliceraldehído 3-fosfato en glucosa 1-fosfato, que se utiliza entonces para producir el azúcar nucleótido ADP-glucosa, precursor inmediato del almidón.En la noche, el almidón es hidrolizado y produce energía que proporciona la capacidad de realizar las actividades metabólicas de la planta.El almidón es la fuente energética que obtienen los herbívoros de las plantas.

De manera preferente, la RuBisCo añade CO2 a la ribulosa 1,5-bisfofaro, pero si la concentración de CO2 es baja respeto a la del O2, puede añadir éste a la R1,5BP.

Este es el primer paso de la vía conocida como fotorrespiración, cuyo efecto es consumir O2 y producir CO2 sin producción neta de energía.La fotosíntesis siempre está acompañada de la fotorrespiración, un proceso que ocurre en presencia de luz, consume O2 y convierte la R1,5BP en CO2.

La RuBisCO cataliza así dos reacciones antagónicas:

La fotorrespiración domina en condiciones secas en que las plantas se ven forzadas a cerrar sus estomas para evitar une pérdida excesiva de agua. Esto causa una gran caída de los niveles de CO2 en la hoja, favoreciendo la fotorrespiración.Para evitar el desgaste energético que favorecería la fotorrespiración se ha generado en plantas calurosas una vía de dos pasos para fijar el CO2 que precede al ciclo de Calvin.

Esta vía se conoce como vía C4 porque el CO2 marcado con [14C] mostró que las primeras moléculas radiactivas formadas durante la fotosíntesis en esta vía son componentes de cuatro carbonos, como el oxalacetato y el malato, en lugar de las moléculas de tres carbonos que inician el ciclo de Calvin vía C3.

Las plantas C4, como el maíz y la caña de azúcar, convierten más eficientemente la energía que las plantas C3. Por tanto, las plantas C4 producen más biomasa y es por ello que tienen su importancia agrícola mundial.

La vía C4 involucra dos tipos de células: las células mesófilas, adyacentes a los espacios aéreos en el interior de la hoja y las células de la vaina fascicular, que rodean el tejido vascular.En las células mesófilas de las plantas C4, el fosfoenolpiruvato, una molécula de tres carbonos derivada del piruvato, reacciona con el CO2 para generar oxalacetato, un componente de cuatro carbonos.La enzima que cataliza esta reacción, la fosfoenolpiruvato carboxilasa, se encuentra casi exclusivamente en las plantas C4 y a diferencia de la RuBisCO es sensible al O2.Uno de los dos carbohidratos producidos por la fotosíntesis, el almidón, permanece en las células mesófilas, de las plantas C3 y en las células de la vaina fascicular de las plantas C4.

Las plantas CAM (Crassulacean Acid Metabolism: metabolismo ácido de las Crasuláceas) tienen fijación nocturna de CO2 atmosférico porque los estomas están cerrados durante el día y sólo se abren durante la noche.La apertura de estomas implica pérdida de agua para favorecer la transpiración. En ambientes áridos, la apertura diurna de los estomas implicaría una deshidratación extrema.Generalmente las plantas CAM son plantas suculentas, con relación área/volumen baja en comparación con las plantas C3 y C4.

Las vacuolas tienen volumen considerable, allí se acumulan los ácidos orgánicos (especialmente el ácido málico) en los que se fija el CO2 atmosférico durante la noche, cuando se abren los estomas porque baja la temperatura y no hay insolación. Durante el día sus estomas se cierran para evitar la pérdida de agua por transpiración, y se realiza la segunda parte del proceso (el ácido málico se decarboxila liberando al citoplasma el CO2; éste es captado por los cloroplastos que realizan el proceso fotosintético a través del ciclo de Calvin). 

Las dos partes del proceso ocurren en la misma célula, pero con separación temporal, la fijación inicial del CO2 es nocturna, mientras la fotosíntesis es diurna.

En resumen…