PARA MIS ALUMNOS DE Primero Medio

Transcripción

1 Estimados alumnos: Los esquemas en las páginas 14 a 17 son sólo ilustrativos y no necesitan ser memorizados Revisa también tu Texto del Estudiante Preparando la Prueba Final La Fotosíntesis! PARA MIS ALUMNOS DE Primero Medio 1

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3 La fotosíntesis es el proceso que mantiene la vida en nuestro planeta Los organismos autótrofos, como las plantas terrestres, las algas de agua dulce o las que habitan en los océanos realizan este proceso de transformación de la materia inorgánica en materia orgánica y al mismo tiempo convierten la energía luminosa solar en energía química. 3

4 Para realizar la fotosíntesis las plantas disponen de un pigmento de color verde llamado clorofila que es el encargado de absorber la luz adecuada para realizar este proceso. Además de las plantas, la fotosíntesis también la realizan las algas verdes y ciertos tipos de bacterias. Estos seres capaces de producir su propio alimento se conocen como autótrofos. Todos los organismos heterótrofos dependen de estas conversiones energéticas y de materia para vivir. Además, los organismos fotosintéticos eliminan oxígeno al ambiente, del cual también depende la mayoría de los seres vivos de este planeta 4

5 Dónde y cómo ocurre la Fotosíntesis? La fotosíntesis ocurre en organelos llamados cloroplastos, que se encuentran en células fotosintéticas, es decir, en células de productores expuestas al sol. En plantas terrestres estas células están en hojas y tallos verdes (los tallos leñosos tienen células muertas que forman la corteza). Existen también algas fotosintéticas que no poseen cloroplastos, pues son organismos unicelulares procariontes (sin núcleo verdadero ni compartimientos celulares) y también realizan la fotosíntesis. Estas células, llamadas cianófitas o algas verde azules, son seguramente muy similares a los primeros organismos fotosintéticos que habitaron nuestro planeta y realizan la fotosíntesis en prolongaciones de su membrana plasmática y en su citoplasma. El proceso de fotosíntesis ocurre en 2 etapas, la primera, llamada etapa fotodependiente, o fase luminosa, ocurre sólo en presencia de luz y la segunda, llamada etapa bioquímica, Fase oscura o ciclo de Calvin, ocurre de manera independiente de la luz. Pero antes de comenzar a estudiar ambas etapas es conveniente ver algunas características de los cloroplastos que permiten la captación de energía lumínica. En principio, los cloroplastos tienen pigmentos que son moléculas capaces de "capturar" ciertas cantidades de energía lumínica. Dentro de los pigmentos más comunes se encuentra la clorofila a y la clorofila b, típica de plantas terrestres, los carotenos, las xantófilas, ficoeritrinas y ficocianinas, cada uno de estos últimos característico de ciertas especies. Cada uno de estos pigmentos se "especializa" en captar cierto tipo de luz. 5

6 Como sabemos el espectro lumínico que proviene del sol se puede descomponer en diferentes colores a través de un prisma, cada color corresponde a una cierta frecuencia de vibración de la luz, que puede medirse también en longitudes de onda. Cada pigmento puede capturar un tipo distinto de longitud de onda. En el gráfico se muestran los espectros de absorción de la clorofila (a y b), carotenos, ficoeritrina y ficocianina. Como puede observarse cada pigmento tiene un pick de absorción característico. Pero para hacer más eficiente la absorción de luz las plantas utilizan sistemas "trampa" o fotosistemas, con un pigmento principal como la clorofila a o b y diferentes pigmentos accesorios. A través de estos sistemas, los autótrofos pueden aprovechar mejor la energía lumínica. Como puede observarse cada pigmento tiene un pick de absorción característico. 6

7 Los fotosistemas cuentan con un centro de reacción ocupado generalmente por clorofila a o b en las plantas terrestres, hacia donde es dirigida la energía lumínica, como se verá a continuación. Antes de comenzar a describir los reacciones químicas que ocurren en la etapa fotodependiente es conveniente ubicarnos espacialmente en el lugar de la planta donde ocurren. Como ya hemos dicho, los cloroplastos se ubican en las células expuestas a la luz, es decir, aquéllas partes de la planta que son fotosintéticamente activas. En el caso de las plantas superiores la fotosíntesis ocurre principalmente en las hojas, y dentro de éstas, en cloroplastos ubicados en células del parénquima, que es uno de los tejidos de la hoja. Las hojas, además, poseen pequeñas abertura o "estomas", formadas por células que pueden agrandar o cerrar la abertura y que permiten, de este modo, regular la entrada o salida de agua y gases, como el oxígeno y dióxido de carbono. Estomas Células del Parenquima 7

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9 A diferencia de los animales, que necesitan digerir alimentos ya elaborados, las plantas y algas verdes, son capaces de producir sus propios alimentos a 9 través de un proceso químico llamado fotosíntesis.

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11 La fotosíntesis es un proceso que transforma la energía de la luz del sol en energía química. Consiste en la elaboración de azúcar (Glucosa) y oxígeno a partir del C0 2 ( dióxido de carbono) y agua con la ayuda de la luz solar. Dióxido de Carbono Agua Glucosa Oxígeno Es un proceso complejo, mediante el cual los seres vivos poseedores de clorofila y otros pigmentos, captan energía luminosa procedente del sol y la transforman en energía química (ATP) y en compuestos reductores (NADPH), y con ellos transforman el agua y el CO2 en compuestos orgánicos reducidos (glucosa y otros), liberando oxígeno. 11

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13 Glucosa Agua Si, claro, en las hojas, pero en que parte de las hojas? 13

14 Células Los cloroplastos Dentro de las células de las hojas están unos organelos llamados Cloroplastos Allí ocurren las 2 Fases de la Fotosíntesis Están formados por un sistema de membranas interno en donde se encuentran ubicados los sitios en que se realiza cada una de las partes del proceso fotosintético. En los Tilacoides la Fase Luminosa y en el Estroma la Fase Oscura Vista microscópica de una hoja Un Cloroplasto 14

15 Revisa la estructura interna de un Cloroplasto y observa sus relaciones. Reconoce las siguientes partes: Membranas externa e interna Estroma Granas Tilacoides Lamelas 15

16 El cloroplasto es un tipo de plastidio que se encuentra exclusivamente en las células vegetales fotosintéticas. Su estructura está compuesta por: Envoltura: está formada por dos membranas: una externa muy permeable y otra interna lisa y sin crestas, menos permeable que la externa. Estroma: es la cavidad interna del cloroplasto. Está compuesta por enzimas implicadas en la fotosíntesis (proceso mediante el cual la energía de la luz se convierte en moléculas orgánicas) y por aquellas que regulan y controlan la replicación, transcripción y traducción del material genético del cloroplasto. Contiene, además, un ADN tipo procarionte (célula sin núcleo diferenciado), circular y desprovisto de proteínas; ARN y ribosoma, que le da al cloroplasto la capacidad de sintetizar algunas proteínas estructurales (es decir, que sirvan para formar estructuras tales como la membrana celular) y enzimáticas del cloroplasto. Tilacoides: son sacos aplanados agrupados como pilas de monedas. Estas pilas se denominan granas. La membrana de los tilacoides contiene los pigmentos fotosintéticos (clorofila y carotenoides), la cadena transportadora de electrones (conjunto de moléculas que conduce un electrón hasta el final de la cadena para retirarle la energía de la que dispone) y la enzima ATP sintetasa, entre otros. Grana: Conjunto de tilacoides 16

17 En la membrana de los tilacoides se ubican los pigmentos fotosintéticos, que pueden captar la energía lumínica y dar comienzo a la etapa fotodependiente. La clorofila y otros pigmentos se ubican en los cloroplastos, dentro de la membrana del tilacoide, en unidades llamadas fotosistemas. Cada unidad tiene numerosas moléculas de pigmentos que se utilizan como antenas para atrapar la luz. Cuando la energía lumínica es absorbida por uno de los pigmentos, se desprenden electrones que rebotan en el fotosistema hasta llegar al centro de reacción, la clorofila a. El fotosistema que reacciona primero ante la presencia de luz es el fotosistema I. La estructura de la membrana tilacoide permite que los electrones, provenientes de la exitación fotoquímica de la clorofila sean recibidos por moléculas especializadas, llamadas aceptores, que sufren sucesivamente reacciones de óxido-reducción y transportan los electrones hasta un aceptor final, la coenzima NADP (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). 17

18 En los Tilacoides ocurre la Fase luminosa de la Fotosíntesis en tanto que en el Estroma ocurre la Fase Oscura 18

19 La fotosíntesis consta de dos etapas: una que depende de la luz, etapa fotodependiente y otra que no, etapa fotoindependiente o enzimática. En la primera etapa se capta energía lumínica y se utiliza para obtener dos moléculas ricas en energía: el NADPH y el ATP. Éstas se utilizan para fijar el carbono del dióxido de carbono atmosférico en la molécula de glucosa, durante la segunda etapa. NADPH = Nicotinamida(N) adenina(a) di(d) fosfato(p) hidrogenado o reducido(h) 2 ATP = Adenosin (A) Tri (T) Fosfato(P) (o Adenosina) 3 fosfato es P por venir del inglés Phosfate Para que se lleve a cabo la producción de ATP (energía química) y se reduzca la coenzima NADP a NADPH, es necesario que reaccione otro fotosistema asociado, el fotosistema II. En este se produce también la excitación fotoquímica de la clorofila, que libera electrones. Los electrones son transferidos de un aceptor a otro a través de una cadena de transporte que los guía hasta el fotosistema I, quedando de este modo restablecida la carga electroquímica de esta molécula. Simultáneamente, en el fotosistema II se produce la lisis o ruptura de una molécula de agua. Este proceso, también llamado fotooxidación del agua, libera electrones, que son capturados por el fotosistema II, oxígeno, que es liberado a la atmósfera a través de los estomas, y protones, que quedan retenidos en el espacio intratilacoideo. 19

20 Fase luminosa de la fotosíntesis. La fase luminosa o fotoquímica puede presentarse en dos modalidades: con Transporte Acíclico de electrones o con Transporte Cíclico de electrones. En la acíclica se necesitan los dos fotosistemas: PS I y PS II. En la cíclica sólo el fotosistema I. PSI La fase luminosa acíclica (no cíclica) se inicia con la llegada de fotones al fotosistema II. (PS II). Excita a su pigmento diana P680 que pierde tantos electrones como fotones absorbe. Tras esta excitación existe un paso continuo entre moléculas capaces de ganar y perder esos electrones. Para reponer los electrones que perdió el pigmento P680 se produce la hidrólisis del agua (fotólisis del agua), desprendiendo oxígeno. Este proceso se realiza en la cara interna de la membrana de los tilacoides. En resumen en la fase luminosa acíclica: Transporte Acíclico 1. Se rompe la molécula de agua. 2. Se produce el poder reductor del NADPH a partir de los protones (H + ) obtenidos del agua 3. Se produce una cadena de transporte de electrones (e-) 4. Se produce ATP que da energía a la célula 5. Se libera O 2 a la atmósfera fotones No necesitas memorizar el esquema, sólo debe darte una idea del proceso 20 ocurrido

21 Los electrones son introducidos en el interior del tilacoide por el citocromo b-f y crean una diferencia de potencial electroquímico a ambos lados de la membrana. Esto hace salir protones a través de las ATP sinteteasas con la consiguiente síntesis de ATP que se acumula en el estroma (fosforilación del ADP). Los fotones también inciden en el PS I; la clorofila P700 pierde dos electrones que son captados por aceptores sucesivos. Los electrones que la clorofila pierde son repuestos por la Plastocianina que lo recibe del citocromo b-f Al final los electrones pasan a la enzima NADP reductasa y se forma NADPH (fotorreducción del NADP). Fase luminosa Cíclica En la fase luminosa cíclica sólo interviene el PS I, creándose un flujo o ciclo de electrones que, en cada vuelta, da lugar a síntesis de ATP. No hay fotolisis del agua y tampoco se genera NADPH, ni se desprende oxígeno. Su finalidad es generar más ATP imprescindible para realizar la fase oscura posterior. No necesitas memorizar los esquemas, sólo deben darte una idea de los procesos ocurridos 21

22 Fase oscura de la fotosíntesis o Ciclo de Calvin. En la fase biosintética se usa la energía (ATP y NADPH), obtenidos en la fase luminosa para sintetizar materia orgánica a partir de inorgánica. La fuente de carbono es el CO2, la fuente de nitrógeno son los nitratos y nitritos y la de azufre los sulfatos. En esta fase, el hidrógeno formado en la fase anterior se suma al dióxido de carbono gaseoso (CO2) presente en el aire, dando como resultado la producción de compuestos orgánicos, principalmente carbohidratos; es decir, compuestos cuyas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Dicho proceso se desencadena gracias a una energía almacenada en moléculas de ATP que da como resultado el carbohidrato llamado glucosa (C 6 H 12 O 6 ), un tipo de compuesto similar al azúcar, y moléculas de agua como desecho. Después de la formación de glucosa, ocurre una secuencia de otras reacciones químicas que dan lugar a la formación de almidón y varios carbohidratos más. A partir de estos productos, la planta elabora lípidos y proteínas necesarios para la formación del tejido vegetal, lo que produce el crecimiento. No necesitas memorizar este esquema El proceso de síntesis de compuestos de carbono fue descubierta por Melvin Calvin y por ello se llama el ciclo de Calvin. En esta fase se fija el dióxido de carbono atmosférico, que fue introducido en el vegetal por los estomas de las hojas, a compuestos existentes en el estroma del cloroplasto y que conducen a la síntesis de materia orgánica compleja: pentosas, hexosas (glucosa), disacáridos, (sacarosa), polisacáridos (almidón), ácidos grasos (lípidos) y aminoácidos (proteínas). 22

23 Balance energético de la fotosíntesis: La fase luminosa de la fotosíntesis produce ATP y NADPH. Si se sintetiza una molécula de glucosa (C 6 H 12 O 6 ) se necesitan 6 CO 2 y 6 H 2 O. El agua libera 6 O 2 a la atmósfera y aporta 12 hidrógenos de la glucosa y los 12 hidrógenos necesarios para pasar los 6 O 2 sobrantes del CO 2 a Agua. Intervienen 24 Hidrógenos. Aparecen así 24 protones y 24 electrones y, como cada electrón precisa dos fotones (uno en el PS. I y otro en el PS. II), se necesitan 48 fotones. El ciclo de Calvin necesita por cada CO 2 incorporado, 2 NADPH y 3 ATP. Para una molécula de glucosa se necesitan 12 NADPH y 18 ATP. 23

24 Importancia biológica de la fotosíntesis La fotosíntesis es un proceso bioquímico muy importante de la Biosfera por varios motivos: 1. La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los diferentes seres vivos. 2. Produce la transformación de la energía luminosa en energía química, necesaria y utilizada por los seres vivos 3. En la fotosíntesis se libera oxígeno, que será utilizado en la respiración aerobia como oxidante. 4. La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera primitiva, que era anaerobia y reductora y la convierte en aerobia y oxidante. 5. De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. 6. El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin la fotosíntesis. 24

25 Se hace incidir luz a diferentes intensidades sobre una planta y se mide la cantidad de fotosíntesis que esta realiza, obteniéndose esta Tabla: Intensidad luminosa [W/ m 2 ] Tasa de fotosíntesis Qué variable se está estudiando? Grafica la Tabla y analiza 2. Al superar los 500 [W/m 2 ] qué se puede observar y qué explicación darías? 3. Cual es el primer factor que afecta a la Fotosíntesis? 4. Explica la influencia de la Intensidad luminosa en la fotosíntesis. 25

26 Otro factor que afecta el rendimiento fotosintético de una planta es la temperatura. 1. Construye el gráfico en tu cuaderno y responde lo siguiente: 2. En qué forma crees que influye este factor? Aumenta constantemente con la temperatura? 3. Por qué crees que ocurre así? (Recuerda que los seres vivos estamos hechos de proteínas ) 4. Qué ocurrirá si la temperatura se reduce por debajo de 0ºC Temperatura [ºC] Tasa de fotosíntesis

27 El sorgo es resistente a las altas temperaturas y en consecuencia a las sequías por lo cual se cultiva en zonas áridas de calor extremo. Tipos de plantas según afinidad con la luz: Heliófilas: afinidad por zonas con iluminación directa. Fotófilas: afinidad por lugares iluminados, pero de forma indirecta. Esciófilas: afinidad por lugares sombreados. Observa y analiza los gráficos. Haya: árbol de hasta 35 metros, de madera muy apreciada y que crece en Europa; traida a América, abunda en países de clima templado. Qué efecto tienen las variables estudiadas en la fotosíntesis? Explica el efecto de la concentración de CO 2 27

28 Factores que influyen en la actividad de la fotosíntesis El rendimiento de la actividad fotosintética es influenciado por varios factores. Los más importantes son: - Intensidad luminosa. - En general, a mayor intensidad luminosa, mayor actividad fotosintética. Pero, cada especie está adaptada a unos niveles de iluminación óptima, de intensidad variable. Si se superan esos niveles, se llega a la saturación lumínica e, incluso, podrían deteriorarse los pigmentos fotosintéticos. - Por otro lado, también influye el color de la luz: el mejor es el que absorbe (y no refleja) la clorofila.- - Temperatura. - Como norma general, a mayor temperatura, mayor actividad fotosintética, hasta que se llega a un máximo, superado el cual se pueden desnaturalizar algunas enzimas. La temperatura óptima variará de unas especies a otras.- - Concentración de CO2. - A mayor concentración de CO2 mayor actividad fotosintética, hasta que se llega a un punto en el que se estabiliza.- - Concentración de O2. - Al aumentar la concentración de O2 baja el rendimiento de la fotosíntesis debido a la fotorrespiración. 28