MEDIDA CUANTITATIVA DEL INTERCAMBIO DE GASES EN ÓRGANOS VEGETALES

Transcripción

1 MEDIDA CUANTITATIVA DEL INTERCAMBIO DE GASES EN ÓRGANOS VEGETALES INTRODUCCIÓN.- Los dos grandes procesos metabólicos por los que las plantas obtienen energía (en forma de ATP), poder reductor (fundamentalmente como NADPH y NADH) y moléculas hidrocarbonadas (base de las distintas rutas biosintéticas) son la fotosíntesis y la respiración. Bioquímicamente, los dos procesos consisten en una serie de reacciones de óxido-reducción. No obstante, mientras que en la fotosíntesis moléculas inorgánicas (CO 2 ) son reducidas y convertidas en moléculas orgánicas (fosfatos de triosa), en la respiración se oxida un substrato orgánico hasta formar CO 2 y el O 2 es reducido a H 2 O. En la mayor parte de los organismos fotosintéticos el agua es el donador primario de los electrones, liberándose O 2 como un subproducto (fotosíntesis oxigénica), por lo que, en los dos procesos, se produce un intercambio de los mismos gases, CO 2 y O 2, aunque en sentido contrario: consumo de CO 2 y liberación O 2 en la fotosíntesis y consumo de O 2 y liberación de CO 2 en la respiración. A pesar de que los productos de la fotosíntesis y de la respiración son los mismos, ambos procesos son fundamentales para el mantenimiento del metabolismo, ya que la fotosíntesis solo se produce, durante las horas de luz, en las células fotosintéticas. Durante las horas de oscuridad (y en el resto de células del organismo durante todo el día), el metabolismo depende de la utilización, a través de la respiración, de los productos sintetizados por la fotosíntesis. Por otra parte, en muchas plantas (mayoritariamente las plantas C3) también se produce consumo de O 2 y liberación de CO 2 como consecuencia de la actividad oxigenásica de la rubisco (fotorespiración). Mientras que la en la fotosíntesis la estequiometria CO 2 / O 2 es constante (1:1), no lo es en la fotorespiración y respiración. En la fotorespiración, depende de la tasa de oxigenación de la rubisco, muy variable en función de las condiciones ambientales. Por su parte, en la respiración, depende del estado de

2 reducción del substrato respiratorio que utilizan las células, lo que da cocientes respiratorios (QR) diferentes para los diferentes sustratos. En el caso de los carbohidratos, en los que la proporción C / O es 1, el QR es 1, ya que se consume igual cantidad de oxigeno que la que tienen de carbono para oxidarlos a CO 2. Los substratos más reducidos, como son los lípidos, requieren más oxígeno para su oxidación hasta CO 2 y dan QR < 1. Por el contrario, los substratos más oxidados, como los ácidos orgánicos, dan QR > 1. Este último valor también se presenta si el tejido en estudio utiliza parte del NADH obtenido en la respiración para reducir nitratos. Así, raíces a las que se le suministra NH + 4 como fuente de nitrógeno presentan QR = 1, mientras que las cultivadas en presencia de NO - 3 muestran QR > 1. El balance neto del intercambio gaseoso producido en los tejidos vegetales puede cuantificarse por varios métodos, tanto químicos (absorción del CO 2 y valoración, cambios de ph, etc.) como físicos (volumetría o manometría, absorción en el infra-rojo, etc.). En esta práctica utilizaremos un método físico, la absorción de la radiación infra-roja por el CO 2, y un método electroquímico para cuantificar el O 2. El método para el CO 2 se basa en que la magnitud de la absorción de esta radiación en la franja de 4260 nm, específica para este gas, depende de su cantidad en la atmósfera. En función del consumo o liberación de CO 2 que se produzca en el recipiente donde se introducirán las muestras vegetales, habrá un aumento o una disminución de la absorción de esta longitud de onda, que se puede relacionar con la concentración de CO 2. Así, la interfaz del sensor (Fig. 1) transforma la absorbancia en ppm (partes por millón), en un rango de medida entre 0 y ppm. Por lo que se refiere al O 2, el sensor mide la concentración 2

3 de este gas en la atmosfera, en un rango del 0 al 100 %, gracias a una célula electroquímica que contiene. El ánodo y el cátodo de esta célula están inmersos en un electrolito. Cuando el oxígeno entra en la célula, se reduce en el cátodo, lo que genera una corriente eléctrica que es proporcional a la presión parcial de O 2 que hay en la atmósfera y cuyo voltaje, amplificado, se puede medir y registrar. MATERIALES. Semillas de garbanzo Hojas de una planta C3 (guisante) y de una planta C4 (maíz) Estufa de germinación Erlenmeyer de 250 ml Soporte y pinza Balanza Papel de aluminio Sensores de CO 2 y de O 2 e interfaz registradora de datos (Science Cube) Cronómetro Ordenador y hoja de cálculo (Science StudioII, Excel, etc) [opcional] ESQUEMA DE LA PRÀCTICA.- A.- MEDIDA DE LA RESPIRACIÓN DE SEMILLAS EN GERMINACIÓN Y DETERMINACIÓN DEL COCIENTE RESPIRATORIO (QR). 1.- Se embeben en agua 10 semillas de garbanzo durante 6 h y se dejan germinar sobre papel de filtro húmedo, en estufa a 25 ºC, unos 3-4 días (raíces de 1-2 cm de longitud). 2.- Se introducen las semillas germinadas en un Erlenmeyer y se cierra herméticamente con el tapón que incluye el sensor de CO 2 o de O 2. Se programa la interfaz para que registre los datos cada 6 segundos. El sensor debe mantenerse en funcionamiento al menos 2 minutos antes de comenzar las medidas. 3.- Se anotan, cada 2 minutos, los valores que indique la interfaz pera los canales de CO 2 y O 2, durante 30 minutos. 4.- A los 30 minutos se detiene la adquisición de datos y se determina el peso fresco de las semillas. 3

4 B.- MEDIDA DEL INTERCAMBIO DE GASES EN TEJIDO FOLIAR Y DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE COMPENSACIÓN DEL CO Se substituye el material vegetal del Erlenmeyer por hojas de la planta C3 (guisante). 6.- Se procede como se indica en el apartado anterior hasta que se observe que el valor de CO 2 se mantiene constante. Anotar este valor. 7.- Se cubre el Erlenmeyer con material opaco y se continúan las medidas hasta el tiempo programado. 8.- Determinar el peso fresco de las hojas utilizadas. 9.- Se substituye el material vegetal del Erlenmeyer por hojas de la planta C4 (maíz) y se repite el procedimiento indicado en los puntos anteriores. RESULTADOS Y CUESTIONES.- 1) Transferir los datos obtenidos en cada apartado a una hoja de cálculo. 2) Representar gráficamente los resultados obtenidos en el apartado A para los dos gases (CO2 y O 2 ) y calcular las ppm de CO2 que se liberan, y las de O 2 que se consumen, por hora. 3) Transformar los resultados en mg de CO 2 liberados per gramo de peso, teniendo en cuenta que el Pm del CO 2 es 44, e igualmente para el O 2 (Pm = 32). Nota: V del recipiente = 250ml; V molar de un gas a 20ºC = 24 L. 4) Calcular el valor del cociente respiratorio de las semillas (QR = µmol CO 2 liberado / µmol O 2 consumido). 5) Cuánto tiempo, como máximo (horas y minutos), se podría mantener la respiración al ritmo calculado y bajo las mismas condiciones del experimento? (Nota: asumir un volumen de aire en el recipiente de 250 ml). 6) Si repitiéramos el experimento con semillas sin testa, se podría esperar valores de respiración semejantes, mayores o menores que con la testa? Por qué? 7) Cuál es el valor de la fotosíntesis neta de las hojas de la planta C3, en µmol CO 2 por hora y por gramo de peso fresco? Y el de las hojas de la planta C4? 4

5 8) Cuál es el valor de la respiración de las hojas de las plantas C3 y C4, por hora y por gramo de peso fresco? Y el QR? 9) Cuál es el valor de CO 2 al cual se encuentra el punto de compensación (PC CO2 ) para la planta C3? Y para la planta C4? Qué puedes deducir de estos valores? 10) Podemos estimar la tasa de fotosíntesis bruta de la planta C3? y la de la planta C4? 11) Formula las reacciones estequiométricas globales de la oxidación de un carbohidrato, un lípido y un ácido orgánico. 5