Trabajo Práctico Nº 5 Fotosíntesis real y aparente

Transcripción

1 Trabajo Práctico Nº 5 Fotosíntesis real y aparente Introducción: La fotosíntesis es la conversión de materia inorgánica en materia orgánica gracias a la energía que aporta la luz. En este proceso la energía luminosa se transforma en energía química estable, siendo el adenosín trifosfato (ATP) la primera molécula en la que queda almacenada esa energía química. Con posterioridad, el ATP se usa para sintetizar moléculas orgánicas de mayor estabilidad. Los orgánulos citoplasmáticos encargados de la realización de la fotosíntesis son los cloroplastos, unas estructuras polimorfas y de color verde (esta coloración es debida a la presencia del pigmento clorofila) propias de las células vegetales. En el interior de estos orgánulos se halla una cámara que contiene un medio interno llamado estroma, que alberga diversos componentes, entre ellos enzimas y unos sáculos aplastados denominados tilacoides o lamelas, cuya membrana contiene pigmentos fotosintéticos. En términos medios, una célula foliar tiene entre cincuenta y sesenta cloroplastos en su interior. T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 1

2 De la energía que llega al cloroplasto, sólo el 40% corresponde a la luz visible, única radiación fotosintéticamente activa. La luz visible es la radiación cuya longitud de onda está comprendida entre 400 y 700 nm. T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 2

3 Las primeras definiciones dadas por la bibliografía sobre punto de compensación indican que es el estado donde se equilibran la actividad fotosintética y respiratoria (el CO 2 asimilado por fotosíntesis y el desprendido por respiración). Posteriormente se definió como el punto donde se equilibran los procesos anabólicos (de síntesis de sustancias) y catabólicos (de degradación de metabolitos). Con el avance de los estudios de bioquímica en las plantas se considera en la actualidad que ninguna de las definiciones anteriormente enunciadas es del todo correcta, considerando por ejemplo que el proceso respiratorio es fundamental para el trabajo celular y síntesis de sustancias en numerosas rutas metabólicas, por lo tanto no se lo incluiría en la clasificación de un proceso catabólico. También se ha encontrado que las fuentes de CO 2 desprendido por la planta son, además de la respiración, otras rutas metabólicas alternativas en la obtención de energía como son la fotorespiración, la respiración insensible al cianuro y el ciclo de las pentosas (Cuadro 1). Por otro lado, los procesos de fijación de las plantas pueden llevarse a cabo por la enzima Ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa (Rubisco en forma abreviada) en el ciclo de Calvin, en plantas C3 o de baja eficiencia, como también a través de la enzima Fosfoenolpirúvico carboxilasa (PEP carboxilasa) en plantas de alta eficiencia (C4) y en plantas crasas CAM (del inglés crassulacean acid metabolism) en la incorporación nocturna de CO 2. Todo lo expuesto anteriormente hace necesario redefinir al punto de compensación sin mencionar los procesos que intervienen en la incorporación o desprendimiento del CO 2, pero sí teniendo en cuenta que el mismo es variable entonces en función de determinado sistema metabólico de referencia. Por ello se puede definir al mismo como: "el estado en el cual se equilibran, en la planta entera o parte de ella, el CO 2 absorbido con el desprendido, sin ganancia ni pérdida de peso seco, resultando en este punto la fotosíntesis neta igual a cero". (Fotosíntesis neta: el intercambio neto de CO 2 está dado por el CO 2 fijado en las carboxilaciones primarias menos lo que se desprende por respiración y fotorespiración) En Fisiología Vegetal se han estudiado tres puntos de compensación en función de las tres grandes variables que inciden en la fijación o desprendimiento de CO 2 en los vegetales, siendo ellos: Punto de compensación lumínico: "Es la intensidad de luz o irradiancia a la cual se equilibran el CO 2 absorbido con el desprendido manteniendo constante la temperatura y la concentración de CO 2. Punto de compensación de CO 2 : "Es la concentración de CO 2 a la que se equilibran el CO 2 absorbido con el desprendido manteniendo constantes la temperatura y la irradiancia". T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 3

4 Punto de compensación de temperatura: "Es la temperatura en la cual se equilibran el CO 2 absorbido con el desprendido, manteniendo constantes la intensidad de luz y la concentración de CO 2. El valor de iluminación señalado como I0, es el punto de compensación lumínica y representa la cantidad de luz con la cual FN vale cero, debido a que FB se iguala a FR + RM. Para valores de iluminación mayores que I0, FN será siempre positiva. El punto de compensación de luz varía en su valor en función de varios parámetros, tales como: Tipo de especie de la que se trate (ya sea C3, C4 o CAM), Edad de la hoja analizada. Posición relativa de la hoja en el canopeo. Tipo de planta en función de su adaptación a las condiciones naturales de irradiancia (especies heliófilas o esciófilas). T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 4

5 Porción de la planta analizar en función de los órganos que la componen (hojas, verdes, ramas, etc.) Temperatura. Analizando una planta cualquiera, en condiciones naturales de temperatura, durante el día pasará por dos puntos de compensación lumínico: al amanecer y al atardecer, debido a la débil intensidad lumínica que hace que el CO 2 perdido por respiración se compense exactamente con el que se fija en el proceso fotosintético. El valor de irradiancia en el cual esto ocurre se denomina PC luz y es variable en función de varios aspectos. Durante las horas de oscuridad se pone de manifiesto en una planta una débil liberación de CO 2 debido a la escotorespiración (respiración oscura), limitada por permanecer los estomas cerrados. Al amanecer inicia el proceso de fotosíntesis, se abren los estomas y el intercambio gaseoso aumenta al igual que la actividad de los demás procesos. T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 5

6 Con el aumento de la intensidad lumínica aumenta la fotosíntesis y en determinado momento se iguala el CO 2 fijado con el liberado: éste es el PC luz. Luego la incorporación de CO 2 sigue aumentando con la intensidad de luz, pudiéndose saturar el sistema fotosintético aproximadamente a 800 umoles en plantas C3 o no saturarse en plantas C4 (Cuadro 2) en las horas de máxima irradiancia (el mediodía). A medida que el sol reduce su ángulo con el horizonte y la intensidad lumínica decrece, también lo hace la tasa fotosintética, hasta llegar en horas del atardecer nuevamente al PC luz. T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 6

7 El PC luz alcanza valores más bajos en plantas C3 que en plantas C4, principalmente por el menor requerimiento energético de las primeras, desde el momento que deben mantener un solo ciclo de fijación de CO 2, versus dos en C4. Además, las especies C3 están adaptadas en cuanto a su aparato fotosintético, para intensidades de luz más bajas, propias de climas templados y latitudes más altas, no así las C4 que son plantas adaptadas a condiciones de mayor irradiancia, propias de climas tropicales y latitudes más bajas. Con respecto a la edad de la hoja analizada, las jóvenes tendrán un PC más bajo que las hojas viejas, debido a que estas últimas han comenzado la senectud y en consecuencia existen procesos degradativos de los pigmentos clorofilianos y pérdida de funcionalidad de los cloroplastos. En las plantas que crecen a plena luz es común que, en algún momento del día, las hojas ubicadas en el interior del canopeo se encuentren viviendo en el PC luz o debajo de él, debido a la atenuación de la intensidad de luz que ejerce el follaje. Por lo general, las hojas que viven por un tiempo prolongado en el PC-luz se desprenden de la planta en razón de que la fotosíntesis no compensa la pérdida de CO 2 de la escotorrespiración. Por esta razón, es común encontrar el interior del canopeo de muchas especies arbóreas y arbustivas parcial o totalmente desfoliado. En muchos casos, no obstante, las hojas que se encuentran sombreadas sufren un proceso de adaptación que les permite aumentar la eficiencia fotosintética de modo tal que, aun con bajas irradiancias, la asimilación del CO 2 excede la pérdida por respiración. En dicotiledóneas, las hojas adaptadas a la sombra tienen mayor superficie foliar pero su lámina es más delgada que las hojas "soleadas". Estas últimas se vuelven más gruesas que las primeras debido a que forman células en empalizada más largas o capas adicionales de estas células. Las hojas sombreadas contienen más clorofila, especialmente clorofila b, sus cloroplastos tienen más granas e inclusive más membranas tilacoidales y existe una reorientación de los mismos con el objetivo de maximizar la captación de luz. Los cloroplastos de estas hojas tienen menor contenido de proteínas (Rubisco y probablemente proteínas transportadoras de electrones), adaptándose de esta forma a invertir su energía en producir más pigmentos recolectores de luz en virtud de la reducida irradiancia que llega a ellas. No obstante estas adaptaciones, las hojas sombreadas tienen 5 veces menos capacidad de fotosíntesis que las hojas "soleadas" de la misma especie. Por todo lo antes mencionado, el PC luz decrece (principalmente porque su tasa respiratoria es mucho más baja), y la fotosíntesis es saturada a niveles de baja irradiancia. Las plantas adaptadas a vivir a pleno sol. (plantas heliófilas) poseen un PC luz más elevado que las habituadas a vivir a la sombra (plantas esciófilas). Este comportamiento se explica principalmente por la menor tasa respiratoria de las plantas esciófilas. T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 7

8 En general, el valor del PC luz es más alto cuándo se considera toda la planta que cuando sólo se toma una parte de ella (hojas, frutos verdes, ramas etc.) debido a la distinta relación células que respiran - células que fotosintetizan. El PC luz para un mismo individuo u órgano no tiene un valor constante. El factor exógeno que lo modifica de manera más acentuada es la temperatura, dado que como incrementa más la respiración que la fotosíntesis, cuando se eleva, también lo hace el PC luz. Por ejemplo una especie cuyo PC-luz es de 4 µmol. m -2.s -1 a 16 C puede aumentarlo a 12.5 µmol. m- 2.s -1 aprox. a 30 C. En líneas generales, los valores de PC luz para hojas de plantas esciófilas (hiedra, helechos, etc.) son del orden de 0,3 a 1 % de la luz solar plena, en un día diáfano de verano, al mediodía,.que representan en 33 de latitud S, 25 µmol.m -2.s -1. En hojas de plantas heliófilas (girasol, peral, soja etc.) este valor es del 1 al 8 % (25 a 200 µmol.m -2.s -1 aprox.), para la misma latitud. A continuación analizaremos la influencia de la luz en la relación de liberación de CO 2 utilizando indicadores de ph. Objetivo: Determinar el Punto de compensación lumínico (PC) de hojas de distintas especies (C3 o C4) y de distintos hábitat (plantas esciófilas o heliófilas) Materiales: 12 tubos de ensayo pipetas de 10 ml solución buffer ph 8,1 rojo de cresol alfileres hojas de girasol (o malvón), cala, helecho o clavel, y euforbia (o atriplex) T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 8

9 Procedimiento: El buffer se prepara con 150 ml ClK 0,09N y 750 ml NaHCO 3 0,01N. Se colocan 3 ml de solución buffer en cada tubo con unas gotas de indicador (rojo de cresol), que en medio alcalino vira a fucsia y en medio ácido a rojo pálido o anaranjado. Tapar los tubos de ensayo inmediatamente con tapones de goma. Por qué? Cortar 4 trozos de aproximadamente 1 x 7 cm, de cada especie de las seleccionadas. Plantas tipo C3 heliófila: girasol o malvón. Planta tipo C3 esciófila: cala, helecho o clavel. Plantas tipo C4: atriplex o euforbia. Los trozos de hoja se sujetan con un alfiler al tapón de goma y se introducen en el tubo de ensayo, que se cierra lo mejor posible. Dentro del tubo la hoja debe estar en posición vertical, cuidando que no se doble, que no toque las paredes y que no toque el buffer. Se realizan 4 o 5 repeticiones de cada especie y se agrega un tubo como testigo. Los tubos se someten a distintas intensidades de luz y uno se somete a oscuridad total. Observar atentamente los colores del buffer en los tubos y comparar con el testigo. En caso de que vire a color anaranjado (acidificación), qué sucedió? Y si vira a color fucsia (alcalinización), a qué se debe?. Teniendo en cuenta las siguientes reacciones: 2ClK + CO 3 HNa 2CO 3 HK + 2Cl - + Na + + H + (+CO 2 ) ClK + CO 3 HNa Cl - + Na + + OH - + K + (-CO 2 ) Resultados: Construya un cuadro en el que registre el comportamiento de las plantas en función de las diversas intensidades lumínicas (expresarlas en watt/m 2 ) Conclusiones: Elaborar las conclusiones consultando bibliografía y considerando, entre otros, los puntos que siguen: qué ocurre en cada planta tratada y cómo se explica? Se encuentra alguna muestra en Punto de Compensación? Cómo se identifica? Qué ocurrió en ese caso? T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 9

10 Qué relación existe entre el estado de desarrollo de la hoja seleccionada o su ubicación y los resultados obtenidos? Cómo se relacionan los resultados observados con lo que ocurre en la naturaleza? Bibliografía: Guía de Trabajos Prácticos de Fisiología Vegetal. U.N.P.S.J.B Guía de Trabajos Prácticos de Introducción a la Botánica. UBA. Salisbury, F. B. and Ross, C. W Plant Physiology, fourth edition. Wadsworth (ed.), Belmont, Calif., pp.: Sivori, E. M., Montaldi, E. R. y Caso, O. H Fisiología Vegetal. Hemisferio sur (ed.), pp.: T.P 5, Fotosíntesis real y aparente, 10