Sesión 04 Capítulo 07. Obtención de Energía

Transcripción

1 Sesión 04 Capítulo 07 Obtención de Energía

2 La energía en la luz visible El Sol emite energía electromagnética. La luz visible es una radiación que tiene entre 400 y 750 nanómetros de longitud de onda.

3 Propiedades de la Luz Longitudes de onda más cortas (mayor energía) gamma rays x-rays ultraviolet radiation Luz visible near-infrared radiation infrared radiation microwaves Longitudes de onda más largas (menor energía) radio waves Longitud de onda de luz visible (en nanómetros) mayor energía menor energía Los humanos perciben distintas longitudes de onda como colores del violeta (380 nm) al rojo (750 nm)

4 Luz capturada por pigmentos Los pigmentos absorben la luz visible. La clorofila a y b absorbe la luz violeta, azul, y roja, pero refleja la verde (por eso las hojas se ven verdes). Los carotenoides absorben la luz azul y verde, pero reflejan la amarilla, naranja, o roja (por eso se ven de color amarillo-naranja).

5 Estructura de los Pigmentos La parte de un pigmento que atrapa a la luz se encuentra en un arreglo de átomos en los cuales los enlaces simples se alternan con los dobles De esta manera las moléculas de pigmentos funcionan como antenas, ya que este arreglo facilita la absorción de fotones

6 Luz, pigmentos de cloroplastos y fotosíntesis La luz visible, una pequeña parte del espectro electromagnético, consiste en longitudes de onda que corresponden a los colores del arcoíris. La clorofila (curvas azul y verde) absorbe intensamente las luces violeta, azul y roja. Los carotenoides (curva anaranjada) absorben las longitudes de onda azul y verde. Longitud de onda (nanómetros)

7 Algunos Pigmentos Accesorios Le dan su color a raíces, frutas y flores Beta-caroteno en zanahorias (naranja) Zeaxantina en maíz (amarillo) Licopeno en tomates (rojo) Antocianina en violetas (azúl)

8 Por qué las hojas cambian de color en otoño? Tanto los carotenoides como la clorofila están presentes en las hojas: La clorofila se descompone antes de que lo hagan los carotenoides, revelando así los carotenoides de colores amarillo y anaranjado característicos del otoño. Los colores rojos (pigmentos de antocianina) son sintetizados por algunas hojas en otoño, produciendo colores rojos.

9 La pérdida de clorofila revela los carotenoides amarillos

10

11 Qué es la fotosíntesis? Las hojas y los cloroplastos son adaptaciones para la fotosíntesis. La fotosíntesis consiste en reacciones dependientes e independientes de la luz.

12 Fotosíntesis La fotosíntesis se dá en los cloroplastos Los cloroplastos de las plantas tienen dos membranas externas que contienen una matriz semi-fluida llamada estroma El estroma contiene el ADN del cloroplasto, algunos ribosomas y tilacoides Los estromas contienen una membrana interna, la membrana tilacoide, que contiene discos, los tilacoides conectados por canales

13 Interconexiones entre la fotosíntesis y la respiración celular Los cloroplastos de las plantas verdes utilizan la energía de la luz solar para sintetizar compuestos de carbono de alta energía, como glucosa, a partir de las moléculas de baja energía de dióxido de carbono y agua. Las plantas mismas, así como otros organismos que comen plantas o se comen entre sí, extraen energía de estas moléculas orgánicas por respiración celular, la cual produce de nueva cuenta agua y dióxido de carbono. A la vez, esta energía impulsa todas las reacciones de la vida.

14 Panorama general de las estructuras fotosintéticas a) La fotosíntesis se efectúa principalmente en las hojas de las plantas terrestres. b) Corte seccional de una hoja, que muestra las células mesofílicas donde se concentran los cloroplastos y la cutícula impermeable que reviste la hoja en ambas superficies. c) Una célula mesofílica empacada con cloroplastos verdes. d) Un solo cloroplasto que muestra el estroma y los tilacoides donde se realiza la fotosíntesis.

15 Estomas en hoja de una planta de guisante

16 El Cloroplasto Dos membranas externas estroma Compartimento tilacoidal

17 Las reacciones dependientes e independientes de la luz están relacionadas. Relación entre las reacciones dependientes e independientes de la luz

18 Dos Etapas de la Fotosíntesis Reacciones dependientes de la luz Reacciones independientes de La luz (ciclo de Calvin-Benson)

19 Captura de luz para la fotosíntesis Complejos coleptores de luz en la membrana tilacoide absorben los fotones y pasan la energía a los fotosistemas, los que entonces liberan electrones fotosistemas Son grupos de cientos de clorofilas, pigmentos accesorios y otras moléculas que trabajan como una unidad para comenzar las reacciones de la fotosíntesis

20 La Membrana Tilacoide Complejo coleptor de luz Fotosistema

21 Reacciones dependientes de la luz no cíclicas Energía lumínica Energía lumínica Hacia las reacciones independientes de la luz Fosforilación acoplada al transporte de electrones

22 Energía para la síntesis de Azúcares Foto: ATP y NADPH se producen en las reacciones dependientes de la luz y usando energía luminosa Síntesis: Las reacciones independientes de la luz usan la energía del ATP, Hidrógeno y electrones del NADPH para la síntesis de azúcares a partir del CO 2

23 Pasos del Ciclo de Calvin Benson Enzima Rubisco (ribulosa bifosfato carboxilasa) 1 RuBP (ribulosa bifosfato de cinco carbonos) es un azúcar Ciclo de Calvin Benson PGA: fosfoglicerato, de tres carbonos 2 PGAL: fosfoglicerato, azúcar fosforilado 3 Otras moléculas azúcares

24 El ciclo C 3 de la fijación de carbono 1 Seis moléculas de RuBP reaccionan con seis moléculas de CO 2 para formar 12 moléculas de PGA. Esta reacción es fijación de carbono: se capta carbono del CO 2 para introducirlo en moléculas orgánicas. 2 La energía de 12 ATP y los electrones e hidrógenos de 12 NADPH se emplean para convertir las 12 moléculas de PGA en 12 de G3P. 3 La energía de seis moléculas de ATP se usa para reordenar diez de G3P como seis de RuBP, para completar una vuelta del ciclo C 3. 4 Dos moléculas de G3P está disponibles para sintetizar glucosa u otras moléculas orgánicas. El proceso en (4) tiene lugar fuera del cloroplasto y no forma parte del ciclo C 3.

25 Resumen gráfico de la fotosíntesis

26 Adaptaciones: Diferentes rutas para la fijación de Carbono Cuando los ambientes difieren, hay diferentes reacciones para la síntesis de azúcares: Tres rutas para la síntesis de azúcares: Plantas C3 Plantas C4 Plantas CAM

27 Fotorrespiración En días soleados o secos, las plantas conservan agua al cerrar sus estomas Cuando los estomas están cerrados, el O 2 de la fotosíntesis no puede salir y el CO 2 para la fotosíntesis no puede entrar En las plantas C3, altos niveles de O 2 hacen que la proteína rubisco tenga más afinidad por el O 2 para la formación de la RuBP (ribulosa bifosfato de cinco carbonos) en lugar de por el CO 2 Esta ruta (fotorrespiración) reduce la eficiencia de la producción de azúcares en los días secos,

28 Fotorrespiración CO 2 O 2 glicolato RuBP PGA Ciclo de Calvin Benson ATP NADPH azúcares

29 Conceptos Clave Plantas C3 Plantas que solo utilizan el ciclo de Calvin Benson para la fijación de carbono. Plantas C4 Tipo de plantas que minimizan la fotorrespiración al fijar dos veces el carbono en dos tipos de células Plantas CAM Tipo de plantas C4 que conservan el agua al fijar dos veces el carbono, pero a diferentes tiempos del día

30 Plantas C3 Plantas C3 usan sólo el ciclo de Calvin Benson Compensan la ineficiencia de la rubisco sintetizando muchas unidades de ésta. La rubisco es la proteína más abundante de la tierra La mayoría de plantas son C3 Ejemplo: Tilia americana

31 Plantas C4 En las plantas C4, la fijación de carbono ocurre dos veces La primera reacción libera CO 2 cerca de la rubisco, lo que limita la fotorrespiración cuando los estomas están cerrados Ejemplos: maíz, bambú, caña de azúcar,

32 Cuando los estomas se cierran Cuando los estomas se cierran, los niveles de CO 2 bajan y los de O 2 suben. Cuando O 2 (en vez de CO 2 ) se combina con RuBP ocurre un proceso derrochador (llamado fotorrespiración).

33 Cuando los estomas se cierran En climas cálidos y secos, los estomas rara vez se abren. Los niveles de oxígeno aumentan a medida que los niveles de dióxido de carbono disminuyen dentro de la hoja. Bajo estas condiciones, es muy común la fotorrespiración. Las plantas pueden morir por falta de síntesis de glucosa.

34 Las plantas C 4 reducen la fotorrespiración En una planta C 4 las células mesofílicas y las de la vaina del haz contienen cloroplastos: Las células de la vaina del haz rodean a las haces vasculares dentro de las células mesofílicas. En las plantas C 3, las células de vaina de haz no contienen cloroplastos.

35 Las plantas C 4 reducen la fotorrespiración Las plantas C 4 usan la vía C 4. Proceso de dos etapas para fijar carbono.

36 La vía C 4 1. Las células mesofílicas externas contienen una molécula llamada fosfoenolpiruvato (PEP) en vez de RuBP. 2. El CO 2 reacciona con PEP para formar moléculas intermediarias de cuatro carbonos. La reacción es catalizada por una enzima específica y no se ve inhibida por el oxígeno. 3. Una molécula de cuatro carbonos se usa para transportar carbono desde las células mesofílicas hasta las células de la vaina del haz.

37 La vía C 4 4. El CO 2 se libera en las células de la vaina del haz, acumulando altas concentraciones de CO 2. El CO 2 de las células de la vaina del haz se fija por medio de la vía C 3 estándar. La molécula transportadora de tres carbonos regresa a las células mesofílicas.

38 Comparación de plantas C 3 y C 4 en condiciones cálidas y secas a) Con niveles bajos de CO 2 y altos de O 2 la fotorrespiración domina en las plantas C 3, porque la enzima rubisco hace que RuBP se combine con O 2 en vez de con CO 2.

39 Comparación de plantas C 3 y C 4 en condiciones cálidas y secas b) En las plantas C 4 el CO 2 se combina con PEP mediante una enzima más selectiva que se encuentra en las células mesofílicas, y el carbono se lanza a las células de la vaina del haz mediante una molécula de cuatro carbonos, la cual libera CO 2 ahí. Los niveles más altos de CO 2 permiten a la vía C 3 funcionar de manera eficiente en las células de la vaina del haz. Observa que se requiere energía del ATP para regenerar el PEP.

40 Condiciones ambientales La vía C 4 consume más energía que la vía C 3. Las plantas C 4 prosperan cuando la luz es abundante, pero el agua es escasa (desiertos y climas cálidos). Ejemplos de plantas C 4 : el maíz, la caña de azúcar, el sorgo, algunos pastos y ciertos tipos de cardos.

41 Plantas CAM Las plantas CAM (metabolismo ácido de las crasuláceas) minimizan la fotorrespiración al abrir los estomas y fijar el carbono durante la noche Ejemplo: Crassula argentea Las reacciones C4 se llevan a cabo durante el día y las del ciclo de Calvin-Benson durante la noche Ejemplos: piña, cactaceas, bromelias, orquideas

42 Molusco fotosintético? Un estudio de la Universidad del Sur de Florida y en la Universidad de Maryland, College Park (EE.UU.) ha descubierto que Elysia chlorotica es el primer animal con capacidad de fotosíntesis

43 Molusco fotosintético? Durante su juventud presenta una coloración grisácea pudiendo presentar manchas rojizas; a medida que se alimenta de algas de la especie Vaucheria litorea, adquiere una coloración verde brillante debido a la concentración de cloroplastos en sus células.

44 Molusco fotosintético? Los investigadores descubrieron que el molusco digiere a las algas sin dañar sus cloroplastos, integrándolos en sus células digestivas. El genoma del molusco cuenta con genes del alga, indispensables para mantener en buen estado los cloraplastos de ésta. Se trata del primer caso de: transferencia horizontal de genes entre especies pluricelulares.