Aprendizajes esperados

Transcripción

1 Fotosíntesis

2 Aprendizajes esperados Describir la naturaleza de la luz. Explicar el proceso de fotosíntesis en términos de aprovechamiento de la energía solar. Describir las etapas de la fotosíntesis.

3 Pregunta oficial PSU Considere la siguiente ecuación de asimilación de CO 2 por las plantas. La incógnita corresponde a A) agua. B) proteínas. C) enzima. D) temperatura. E) luz. 6CO 2 +? cal/mol C 6 H 12 O 6 + O 2 Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, Admisión PSU 2011.

4 1. Naturaleza de la luz 2. Pigmentos fotosintéticos 3. Fotosíntesis

5 Introducción De la energía solar que alcanza la superficie de la tierra, un 1% es derivada a los sistemas vivos, a través de la fotosíntesis. En este proceso, la energía lumínica se convierte en energía química y el carbono proveniente de la atmósfera se convierte en moléculas orgánicas. En estas reacciones se gasta agua y se libera oxígeno, que es usado por los organismos heterótrofos.

6 1. Naturaleza de la luz 1.1 Concepto Foto proviene del griego y significa luz, síntesis composición. Es la transformación de la materia inorgánica en orgánica, gracias a la participación de la energía que proviene de la luz, la cual se transforma en energía química (ATP), que luego se usará para formar compuestos orgánicos estables. Los organismos fotosintetizadores fijan millones de toneladas de carbono en un año, que junto con agua son los compuestos inorgánicos base para la obtención de la materia orgánica y el oxígeno que requieren los organismos heterótrofos.

7 1. Naturaleza de la luz 1.2 Radiación electromagnética La luz se comporta como una onda y como una partícula. En el siglo XIX, con James C. Maxwell ( ), se empieza a descifrar la verdadera identidad de la luz, como parte muy pequeña de un espectro continuo de radiación, el espectro de radiación electromagnética.

8 1. Naturaleza de la luz 1.2 Radiación electromagnética La radiación electromagnética abarca desde las ondas de radio hasta los rayos gamma; la luz que percibimos es una pequeña parte de este espectro.

9 1. Naturaleza de la luz 1.2 Radiación electromagnética Si la luz blanca se hace pasar por un prisma, esta se descompone en todo el espectro de luz visible, que va de 400 (luz violeta) a 700 nanómetros (luz roja), siendo los 400 la longitud de onda de mayor energía. Sin embargo, la luz que es aprovechada por la fotosíntesis es una parte de este espectro de luz visible.

10 1. Naturaleza de la luz 1.2 Radiación electromagnética Las radiaciones con longitudes de onda menores de 400 nm (como la luz ultravioleta) y mayores de 700 (como las infrarrojas) pueden tener diversos efectos biológicos, pero no pueden ser aprovechadas para la fotosíntesis.

11 2. Pigmentos fotosintéticos 2.1 Pigmentos Los pigmentos son moléculas que absorben luz en una cierta longitud de onda y la que no absorben la reflejan, la cual se ve como el color. El principal pigmento en plantas y algas es clorofila.

12 2. Pigmentos fotosintéticos 2.1 Pigmentos Los pigmentos de plantas y algas absorben luz a distintas longitudes, todos son fotosintéticos, sin embargo la mayor cantidad en plantas terrestres corresponde a la clorofila. Ficocianinas: pigmento en algas azul-verde. Ficoeritrinas: pigmento rojo en cianobacterias y algas rojas (en hongos también junto con ficocianinas). Caroteno y xantófilas: grupo de pigmentos de color amarillo, anaranjado y rojo, y café en vegetales (respectivamente).

13 2. Pigmentos fotosintéticos 2.1 Pigmentos Los máximos de absorción de la clorofila se encuentran en la longitud de onda de 400 a 450 nm (color azul) y en 650 a 700 nm (color rojo). La longitud de onda que refleja es el color verde

14 2. Pigmentos fotosintéticos 2.2 Cloroplastos Los cloroplastos son organelos abundantes (50 a 60 por célula), donde se produce la fotosíntesis, distinguiéndose las membranas tilacoidales, donde se encuentran los fotosistemas I y II.

15 3. Fotosíntesis 3.1 Fases de la fotosíntesis El proceso consta de dos partes: Fase dependiente de luz o luminosa, en los tilacoides Fase independiente de luz u oscura, en el estroma

16 3. Fotosíntesis Estomas Cada estoma está formado por 2 células especializadas llamadas oclusivas que dejan entre sí una abertura llamada ostíolo o poro. En muchas plantas hay 2 o más células adyacentes a las oclusivas y asociadas funcionalmente a ellas. Estas células, morfológicamente distintas a las fundamentales se llaman células anexas, subsidiarias o adjuntas. Estructura

17 3. Fotosíntesis 3.2 Fase dependiente de la luz En los Fotosistemas, se acumulan los pigmentos para captar la luz. El pigmento principal es la clorofila a, y ayudan a este proceso los pigmentos accesorios como: xantófilas, carotenoides, ficiocianinas y ficoeritrinas. Complejo antena ENERGÍA LUMINOSA Centro de reacción - 2e

18 3. Fotosíntesis 3.2 Fase dependiente de la luz Existen dos fotosistemas: el Fotosistema I y el Fotosistema II, ambos reaccionan con la luz. ENERGÍA LUMINOSA Complejo antena Centro de reacción - 2e

19 3. Fotosíntesis 3.2 Fase dependiente de la luz e Electrón excitado En la fase dependiente de la luz o luminosa la clorofila al reaccionar con la luz solar se oxida, liberando un electrón. Luz Fotón Luz Este proceso se denomina efecto fotoeléctrico, con ello se inicia una cadena de reacciones químicas en los fotosistemas. Clorofila

20 3. Fotosíntesis 3.2 Fase dependiente de la luz Aceptor Primario de Electrón Generación de energía 2 Aceptor Primario de Electrón 3 Luz NADP Luz 1 Centro de Reacción Clorofila Fotosistema II Centro de Reacción Clorofila Producción de NADPH Fotosistema I 2 H + 1/2 O 2 Fotólisis del agua

21 3. Fotosíntesis 3.2 Fase dependiente de la luz Fase luminosa o dependiente de luz Lugar donde se realiza: membranas tilacoidales Reactantes: H 2 O, ADP y NADP + Productos: O 2, ATP y NADPH Resumen del proceso: Fotólisis del agua Foto-fosforilación de ATP Foto-oxidación de los fotopigmentos Fotorreducción del NADP +

22 3 Fotosíntesis 3.3 Fase independiente de la luz Fase independiente de luz o fase oscura: Se produce en el estroma, aquí se logra la fijación del CO 2 para obtener productos orgánicos. Esta fase es dependiente de la anterior, ya que se requiere de ATP y NADPH.

23 3. Fotosíntesis 3.3 Fase independiente de la luz Fase oscura o independiente de luz Lugar donde se realiza: estroma de los cloroplastos Reactantes: ATP, NADPH y CO 2 Productos: moléculas orgánicas (glucosa, aminoácidos, ácidos grasos) Resumen del proceso: Fijación del CO 2 atmosférico Ciclo de Calvin

24 3. Fotosíntesis 3.4 Resumen de la fotosíntesis

25 3. Fotosíntesis 3.4 Resumen de la fotosíntesis Lugar donde se realiza Elementos requeridos (reactantes) Productos Fase dependiente de la luz En la membrana de los tilacoides Agua. Luz solar. Pigmentos. Coenzima NADP. ATP. O 2. NADP. Fase independiente de la luz En el estroma de los cloroplastos ATP NADPH CO 2 Glucosa. Otras moléculas orgánicas (Sacarosa, Almidón, Celulosa, Lípidos, Proteínas, etc.) Resumen del proceso Durante esta fase se produce la fotólisis del agua, fotofosforilación para la formación de ATP, fotooxídación de los fotopigmentos y fotoreducción del NADP +. Durante esta fase se forma glucosa gracias a la fijación de CO 2, y a la utilización de ATP y NADPH.

26 Pregunta oficial PSU Considere la siguiente ecuación de asimilación de CO 2 por las plantas. 6CO 2 +? cal/mol C 6 H 12 O 6 + O 2 La incógnita corresponde a A) agua. B) proteínas. C) enzima. D) temperatura. E) luz. ALTERNATIVA CORRECTA A Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, Admisión PSU 2011.

27 Síntesis de la clase Vegetales y cianobacterias Aprovechamiento de la energía solar, que queda retenida como un compuesto orgánico. aprovechan a través de implica La energía solar La fotosíntesis ocurre en fases utiliza Fase clara Fase oscura utiliza Energía luminosa produce produce Sin participación de la luz Agua, NADP + y ADP CO 2, NADPH y ATP O 2, NADPH y ATP Glucosa, NADP + y ADP

28 Resumen significa FOTOSÍNTESIS Aprovechamiento de la energía solar, que queda retenida como un compuesto orgánico utiliza Fase luminosa ocurre en los Tilacoides Fase oscura ocurre en el Estroma utiliza Agua, ADP, NADP +, clorofila y energía solar Dióxido de carbono, ATP y NADPH genera ATP, NADPH y celular oxígeno genera Glucosa, ADP y NADP +

29 Aprendizajes esperados Conocer los mecanismos de la respiración celular. Relacionar los mecanismos de obtención de energía entre los organismos autótrofos y heterótrofos. Conocer los factores que influyen en la fotosíntesis. Relacionar el ciclo del carbono con los procesos de fotosíntesis y respiración celular.

30 Pregunta oficial PSU El gráfico muestra la tasa fotosintética en función de la temperatura en dos niveles de intensidad lumínica: Respecto del gráfico, es correcto afirmar que A) en el intervalo 0 1, la tasa fotosintética es la misma a ambas intensidades lumínicas. B) en el intervalo 0 2, la tasa fotosintética es mayor con intensidad lumínica baja. C) la tasa fotosintética con intensidad lumínica baja es independiente de la temperatura hasta el punto 2. D) la tasa fotosintética con intensidad lumínica alta es independiente de la temperatura. E) la tasa fotosintética con intensidad lumínica alta aumenta en forma constante en función de la temperatura. Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, Admisión PSU 2011.

31 1. Respiración celular 2. Relación entre respiración celular y fotosíntesis 3. Factores que afectan la fotosíntesis

32 Introducción En la vida cotidiana, la energía necesaria para realizar las actividades biológicas se tiene de algún proceso que libera dicha energía. En las células se produce y se gasta la energía constantemente, esto permite el trabajo metabólico. El oxígeno les permite realizar reacciones metabólicas orientadas a captar la energía de los nutrientes y producir ATP. Este proceso es conocido con el nombre de respiración celular. En las plantas, también se produce la respiración celular, y el intercambio de gases con el ambiente se realiza en estructuras conocidas como estomas.

33 1. Respiración celular 1.1 Concepto Para obtener energía, la célula degrada la glucosa en el citoplasma y luego la oxida en la mitocondria, obteniendo de esta forma 38 ATP. Como es un proceso oxidativo, requiere de la presencia del oxígeno que se obtuvo por la hematosis. En la respiración celular se dan dos tipos de reacciones: Reacciones anaeróbicas Reacciones aeróbicas NO requieren de oxígeno para realizarse. SI requieren de oxígeno para realizarse.

34 1. Respiración celular 1.2 Glucólisis 2 ADP 2 ATP Glucosa (6 carbonos) GLUCÓLISIS 2 piruvato o ácido pirúvico (3 carbonos cada uno) 2 NAD 2 NADH + H + Degradación de la glucosa, ocurre en el citoplasma de las células, es una reacción anaeróbica (una oxidación sin intervención de oxígeno molecular, independiente de la presencia de oxígeno) donde se obtienen dos moléculas de ATP y dos moléculas de piruvato, el cual tiene dos posibles destinos: Seguir la vía aeróbica, entrando a la mitocondria. Seguir la vía anaeróbica o fermentativa.

35 1. Respiración celular 1.3 Vía aeróbica Mitocondria: organelo formado por doble membrana, la externa es lisa y la más interna se proyecta hacia el interior formando las crestas mitocondriales, lugar donde se producen la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa. En su interior se encuentra la matriz, donde ocurren la acetilación y el ciclo de Krebs.

36 1. Respiración celular 1.3 Vía aeróbica X 2 X 2 X 2 Acetilación: El piruvato se oxida, se libera una molécula de CO 2 formando acetil coenzima A, que ingresa al ciclo de Krebs. Ocurre en la matriz mitocondrial.

37 1. Respiración celular 1.3 Vía aeróbica Ciclo de Krebs: Se producen moléculas aceptoras de energía, es decir con poder reductor (NADH y FADH 2 ). Se libera CO 2 y se forman dos moléculas de ATP. Ocurre en la matriz mitocondrial.

38 1. Respiración celular 1.3 Vía aeróbica Cadena transportadora de electrones: se utiliza la energía contenida en el poder reductor de NADH y FADH 2, para crear las condiciones de síntesis de ATP (34) por el proceso de fosforilación oxidativa. Ocurre en las crestas mitocondriales.

39 1. Respiración celular 1.3 Vía aeróbica Resumen: La vía aeróbica obtiene la mayor cantidad de ATP (38 moléculas en total) a partir de una molécula de glucosa, siempre que exista presencia de oxígeno. Cuáles son los productos CO 2 y finales H 2 O, que que se se liberan eliminan de la respiración por la celular? espiración.

40 1. Respiración celular 1.3 Vía aeróbica Cuáles son los productos CO 2 y H 2 finales O, que que se se liberan eliminan de la respiración por la espiración. celular? Rendimiento total de ATP 36 a 38 ATP * En algunas células el costo energético de transportar los NADH (electrones) formados en la glucólisis hacia la matriz mitocondrial, disminuye el rendimiento neto de estos, a sólo 4 ATP (ej. Hígado).

41 1. Respiración celular 1.4 Vía anaeróbica Fermentación láctica: se produce en muchas bacterias (bacterias lácticas), también en algunos protozoos y en el músculo esquelético humano (cuando es sometido a estrés físico). El rendimiento energético es menor.

42 1. Respiración celular 1.4 Vía anaeróbica Fermentación alcohólica: se desarrolla en levaduras (hongo unicelular) y algunas bacterias. La fermentación alcohólica es la base de las siguientes aplicaciones en la alimentación humana: pan, cerveza, vino y otras.

43 1. Respiración celular 1.5 Intercambio gaseosos en las plantas La respiración celular es un proceso realizado también en vegetales. El intercambio gaseoso se produce a través de los estomas, que son abiertos o cerrados por las células oclusivas dependiendo de las necesidades. Para la respiración celular, ingresa el O 2 y se libera el CO 2 y H 2 O.

44 2. Respiración celular y Fotosíntesis 2.1 Relación entre los procesos En el proceso de fotosíntesis, a partir de CO 2 y H 2 O las plantas obtienen moléculas orgánicas, especialmente glucosa; en el proceso se libera O 2. La glucosa y el O 2 son utilizados por la célula en la respiración celular para obtener energía en forma de ATP, que será utilizado en funciones celulares, liberándose como desechos el CO 2 y H 2 O.

45 3. Factores que afectan a la fotosíntesis 3.1 Factores internos Son aquellos propios de las plantas y que hacen variar la tasa fotosintética: Presencia de estomas Pigmentos Contenido de agua CO 2 H 2 O Estoma

46 3. Factores que afectan a la fotosíntesis 3.2 Factores externos Temperatura: en términos generales, la temperatura entre 10 y 35 ºC es la óptima para la mayoría de las plantas. La tasa fotosintética cae notablemente en temperaturas cercanas a los 60 ºC. Por qué la fotosíntesis A temperaturas se ve muy altas afectada las enzimas con se temperatura desnaturalizan sobre los 60 ºC?

47 3. Factores que afectan a la fotosíntesis 3.2 Factores externos Intensidad de la luz: las plantas que reciben menos luz, realizan menos fotosíntesis que las que están a la luz. Sin embargo, la relación no es directamente proporcional, ya que si la planta se encuentra a pleno sol, la tasa fotosintética decae muchísimo, porque la alta cantidad de energía solar y la elevada temperatura dañan su desarrollo.

48 3. Factores que afectan a la fotosíntesis 3.2 Factores externos Concentración de CO 2 : el CO 2 es la molécula utilizada por las plantas para producir diversas moléculas orgánicas. La falta de él disminuye la productividad y en exceso el proceso de fotosíntesis se satura, ya que depende de la acción de enzimas. Años El aumento en la concentración de CO 2 a nivel planetario, está asociado a un aumento de la temperatura.

49 3. Factores que afectan a la fotosíntesis 3.2 Factores externos Variable dependiente es aquella que no es controlada por el investigador, para este ejemplo corresponde a la. tasa fotosintética Variable independiente es aquella manipulada por el investigador, para este ejemplo corresponde a la. temperatura

50 Pregunta oficial PSU El gráfico muestra la tasa fotosintética en función de la temperatura en dos niveles de intensidad lumínica: ALTERNATIVA CORRECTA C Respecto del gráfico, es correcto afirmar que A) en el intervalo 0 1, la tasa fotosintética es la misma a ambas intensidades lumínicas. B) en el intervalo 0 2, la tasa fotosintética es mayor con intensidad lumínica baja. C) la tasa fotosintética con intensidad lumínica baja es independiente de la temperatura hasta el punto 2. D) la tasa fotosintética con intensidad lumínica alta es independiente de la temperatura. E) la tasa fotosintética con intensidad lumínica alta aumenta en forma constante en función de la temperatura. Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, Admisión PSU 2011.

51 Síntesis de la clase Respiración celular Estructuras celulares Citoplasma Funciones Respiración interna Intercambio de gases entre capilares (conductos) y células Mitocondria Transporte de gases O 2 CO 2 Respiración celular Aeróbica Anaeróbica

52 Síntesis de la clase Citoplasma CO 2 Glucosa CO 2 CO 2 ATP 2 Ácido láctico Piruvato 1 3 Piruvato Acetil coenzima A ATP 4 5 O 2 O 2 Coenzimas 7 6 NADH, FADH Mitocondria O 2

53 Resumen Estructuras celulares Fotosíntesis Cloroplastos Tilacoides Estroma Fase Luminosa ATP, NADPH y oxígeno Etapas Fase Oscura Glucosa, ADP y NADP+ Factores Factores internos Factores externos Presencia de estomas Pigmentos Contenido de agua Temperatura Intensidad de la luz Concentración de CO 2