Guía de fotosíntesis Nombre: curso:.. Objetivo: Reconocer las principales características del proceso fotosintético, reactantes y productos de cada reacción metabólica. Explicar la relación entre la temperatura, la intensidad lumínica y la tasa fotosintética. Cuestionario: 1. En qué organismos ocurre el proceso de fotosíntesis? 2. Escribe la fórmula química de la fotosíntesis, e identifica sustancias orgánicas e inorgánicas. 3. Qué tipo de energía se ocupa en la fotosíntesis y a qué energía es transformada? 4. Cuál es la función del O2? 5. Defina: organismos autótrofos, heterótrofos, aeróbicos? 6. Cuál es la función de la glucosa? 7. Cuál es la función de la fotosíntesis para las plantas? 8. Dibuja un cloroplasto y rotula cada una de sus partes. 9. Qué es la clorofila y en qué órgano se encuentra? 10. Nombra otros pigmentos fotosintéticos, qué colores tienen y cuál es su función. 11. Por dónde entra el agua a la planta? 12. Qué es el xilema? 13. Por dónde entra el CO2 a la planta? 14. Qué son las células guardianas u oclusivas y cuál es su función? 15. En condiciones normales, cómo se encuentran los estromas? 16. En qué consiste la transpiración de la planta? 17. Qué pasa con la planta cuando los estomas se cierran? 18. En qué consiste la fase primaria de la fotosíntesis? Y Qué otro nombre recibe? 19. Qué ocurre en la primera reacción de la fotosíntesis? 20. En qué cosiste la fotólisis del agua? 21. Cómo se forma el NADPH? 22. Cuál es la función el ATP y el NADPH? 23. En qué consiste la fase secundaria de la fotosíntesis? 24. En dónde ocurre la formación de glucosa? 25. Cómo se llama el ciclo de la síntesis de glucosa? 26. Cuál es la enzima más abundante de los vegetales y cuál es su función? 27. Qué otras moléculas se forman a partir de la glucosa? 28. Cuál es la función del almidón y la celulosa? Página 1 de 14
Introducción: De la energía solar que alcanza la superficie de la Tierra, una fracción muy pequeña es derivada a los sistemas vivos. Aún cuando la luz caiga en una zona con vegetación abundante como en una selva, un maizal o un pantano, sólo aproximadamente entre el 1 y el 3% de esa luz se usa en la fotosíntesis. En la fotosíntesis, 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. Esto nos ayuda a comprender que el proceso de fotosíntesis es un poco más complejo que el sólo intercambio de energía entre el mundo abiótico y el mundo biótico, y la razón por la cual lo estudiaremos hoy. Los vegetales son organismos autótrofos, es decir, capaces de formar su propio alimento. Esta capacidad se basa en el proceso de fotosíntesis que es capaz de aprovechar la energía solar y almacenarla en forma de enlaces químicos. La fotosíntesis es un proceso esencial para la mantención de la vida en el planeta. Es capaz de aprovechar la energía solar y retenerla en forma de compuestos químicos que quedan a disposición de los consumidores. La fotosíntesis se compone de dos etapas, la fase clara donde participa directamente la luz y la fase oscura, donde no lo hace. La fotosíntesis es una reacción anabólica, que realizan las plantas. En esta reacción, las plantas transforman compuestos inorgánicos en compuestos orgánicos, utilizando la energía del sol como energía de activación del proceso. Página 2 de 14
En la fotosíntesis, las células con clorofila de las plantas verdes, atrapan una pequeña cantidad de energía luminosa para convertir el dióxido de carbono que toman del aire y el agua que toman del suelo en azúcar y oxígeno que es energía química. Conceptos y fases La reacción global de la fotosíntesis puede esquematizarse como: 6 CO 2 + 6 H 2 O ---------------- glucosa + 6 O 2 En las reacciones de la fase luminosa se aprovecha la energía solar para generar poder reductor (NADPH) y energía metabólica (ATP). En las reacciones de la fase oscura (que no dependen directamente de la luz pero que utilizan los productos de las reacciones luminosas) se utilizan el NADPH y el ATP generados previamente, para formar materia orgánica. La energía, por tanto, queda almacenada transitoriamente en moléculas complejas de materia orgánica (biomasa) que, junto al oxígeno liberado, sirven de alimento para los demás seres vivos que habitan el planeta. Página 3 de 14
Naturaleza de la luz La luz tiene características de partícula y de onda. Las ondas luminosas, llamadas electromagnéticas, se pueden propagar a través del vacío. Se propaga en línea recta y en todas direcciones. Si un rayo de luz blanca atraviesa un prisma se descompone en siete colores, cada uno corresponde a un rango de longitudes de onda (λ) se define como la distancia entre dos crestas o dos valle de una onda. La luz visible para el ojo humano está conformada por el rango de energías con longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros, aproximadamente. Esta es una región muy angosta el espectro electromagnético. La luz visible sólo representa una pequeña porción del espectro electromagnético. La distribución de los colores en el espectro, está determinada por la longitud de onda de cada uno de ellos, a mayor longitud de onda más tendiente al rojo es el color. Se hace referencia a la naturaleza particulada de la luz cuando se dice que tiene forma de cuantos o fotones, es decir, paquetes discretos de energía. Las moléculas pueden absorber de un fotón a la vez, y ese fotón causa la excitación de un solo electrón. Cada uno de esos electrones se aleja de su estado basal, respecto al núcleo, una distancia equivalente de energía del fotón absorbido. Pigmentos y Clorofila Los colores de la vegetación son muy variados, y son conferidos a los vegetales por compuestos químicos llamados pigmentos. Una sustancia que absorbe la luz se Página 4 de 14
denomina pigmento y su color está definido por la longitud de onda que éste no es capaz de absorber, es decir por la longitud que refleja. Dos pigmentos emparentados, la clorofila a y la clorofila b, le otorgan a las plantas ese color verde tan característico porque tienen la capacidad de absorber todas las longitudes de onda de la luz visible, excepto el verde, el cual es reflejado y percibido por el ojo humano. La fotosíntesis ocurre en organismos que poseen clorofila, ya que ésta absorbe y convierte la energía luminosa en energía química La clorofila La clorofila es un pigmento verduzco que se encuentra en todos los organismos fotosintetizadores, debido a que su presencia es fundamental para realizar dicho proceso. Químicamente es una proteína portadora de un anillo de porfirina con un átomo de magnesio en el centro, el cual es capaz de desprender electrones cuando eleva su nivel de energía. Este pigmento es el encargado de captar los fotones provenientes de la luz y elevar el nivel de energía de los electrones del magnesio, desprendiéndolos e iniciando el proceso de la cadena transportadora de electrones. La clorofila responde muy eficientemente a las longitudes de onda cercanas al azul y al rojo, pero a las intermedias como el verde no, por lo que refleja esa longitud. Existen diferentes clases de clorofila, dependiendo de su estructura química: - Clorofila a: Presente en casi todas las plantas en sus fotosistemas. - Clorofila b: Presente en plantas, algas multicelulares y cianobacterias. - Clorofila c y d: Presente en fotosintetizadores protistas. Los fotosistemas Se define como fotosistema un complejo proteico enlazado a una molécula de clorofila, el cual es capaz de captar fotones e iniciar la cascada de eventos vinculados al transporte de electrones. Se encuentran insertos en la membrana de los tilacoides Existen dos fotosistemas: - El PSII, P680 o fotosistema II, en el cual ocurre la fotólisis del agua. - El PSI, P700 o fotosistema I, donde se propaga la energía para producir NADPH. Los Cloroplastos: Los cloroplastos son organelos de doble membrana presente solo en las células vegetales. Se cree que se originaron de la misma manera que las mitocondrias: por endosimbiosis serial de una cianobacteria primitiva. Las estructuras que posee son: - Membrana externa: Posee transportadores específicos. - Membrana interna: Esta ligada a los transportadores que posee la membrana externa Página 5 de 14
- Espacio intermembrana: Es muy pequeño. Alberga algunas enzimas para extraer productos ya sintetizados. - Membrana tilacoidal: Es la membrana del tilacoide. En ella se encuentra la cadena transportadora de electrones y las clorofilas. - Estroma: Fluido interno entre la membrana tilacoidal y la membrana interna. - Tilacoide: Estructura similar a una moneda donde ocurre la fotosíntesis dependiente de la luz. - Grana: Estructura como monedas apiladas (tilacoides apilados). - Ribosomas - DNA circular - Gotitas de productos: Lípidos y almidón en general. Luego estos productos son transportados a otros plastideos específicos (como los oleoplastos y leucoplastos respectivamente). Cloroplasto. (1) Membrana externa, (2) Espacio intermembrana, (3) Membrana interna, (4) Estroma, (5) Tilacoide, (6) Membrana tilacoidal, (7) Grana, (8) Tilacoide, (9) Granulo de almidón, (10) Ribosomas, (11) DNA plastideos, (12) Gotita de lípido. La fotosíntesis dependiente de la luz La fotosíntesis está dividida en dos procesos diferentes, uno dependiente de la luz y otro independiente de la luz (ciclo de Calvin), ambas fases pueden estar ocurriendo al mismo tiempo. Los objetivos de la fotosíntesis dependiente de la luz son generar ATP y NADPH, los cuales serán utilizados en la fase independiente de la luz de la fotosíntesis y como producto de desecho se produce O2. Las etapas de la fotosíntesis dependiente de la luz son las siguientes: Página 6 de 14
1. Un fotón impacta la clorofila del PSII, haciendo que el átomo de magnesio eleve su nivel de energía y dos de sus electrones salten hacia la cadena transportadora de electrones adyacente. Al mismo tiempo, una molécula de agua es fotolisada para reponer los electrones perdidos por el magnesio. A causa de eso se libera O2 y H+. 2. Los electrones van avanzando por la cadena transportadora de electrones, llegando a una proteína llamada plastoquinona. 3. La plastoquinona cede los electrones a un complejo citocromo, para luego cederlos a una proteína llamada plastoquinina (o plastocinina). 4. Al mismo tiempo que un fotón impactaba el PSII, otro impactaba el PSI, de manera que el PSI estaba carente de dos electrones. La plastoquinina cede los electrones transportados y restaura el equilibrio del PSI. 5. Los electrones del PSI saltan hacia otra cadena transportadora, concluyendo con la formación de NADPH. 6. Debido a la fuerza protón-motriz acumulada al interior del tilacoide (causada por la fotolisis continua del agua) la ATP sintetasa de la membrana tilacoidal sintetiza ATP hacia el estroma La fotoquímica o dependiente de la luz puede presentarse en dos modalidades: con transporte acíclico de electrones o con transporte cíclico de electrones. En la acíclica se necesitan los dos fotosistemas el I y el II. En la cíclica sólo el fotosistema I. Procesos que se dan en la fosforilación acíclica: 1) Absorción de la energía luminosa por los fotosistemas (Phs) 2) Esta energía sirve para transportar electrones a través de diferentes transportadores de los tilacoides. 3) El transporte de electrones genera un bombeo de protones al interior de los granas y de las láminas. 4) Los protones sales a través de las ATPasas, generando ATP. Página 7 de 14
5) Los electrones y protones sirven para reducir el NADP + a NADPH 6) Las clorofilas recuperan los electrones cedidos al NADP + mediante la fotólisis de agua. En resumen, la fotosíntesis dependiente de la luz prepara los componentes necesarios para que la fotosíntesis independiente de la luz ocurra. Fotosíntesis independiente de la luz: Ciclo de Calvin La fotosíntesis independiente de la luz es el momento clave del metabolismo anabólico, debido a que desde aquí se forman los precursores de las moléculas orgánicas. A diferencia de la fotosíntesis dependiente de la luz, la fotosíntesis independiente de la luz se define como un ciclo especial y breve, llamado el ciclo de fijación del Carbono o Ciclo de Calvin. Existe una enzima que es esencial en el desarrollo de este ciclo, que es llamada RUBISCO, debido a su extenso nombre (Ribulosa 1,5 bifosfato carboxilasa/oxidasa) Las etapas del ciclo de Calvin son las siguientes: 1. Fijación de la ribulosa 1,5 bifosfato, una pentosa, con CO2, formando 3- fosfoglicerato. 2. El 3 fosfoglicerato es fosforilado gracias al ATP y reducido por el NADPH, formando 3- fosfogliceraldehido, mejor conocido como PGAL. 3. El PGAL puede ser convertido en moléculas orgánicas como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. Sin embargo una parte del PGAL se utiliza para reponer la ribulosa 1,5 Página 8 de 14
bifosfato. En el esquema siguiente se resume los elementos que se requiere para la fase independiente de luz en la fotosíntesis, una vez formada la glucosa, esta se polimeriza formando el almidón Finalmente, Página 9 de 14
Los factores que influyen en la Fotosíntesis son : a) Temperatura b) Intensidad y Longitud de onda de la luz c) Concentración de CO2 d) Concentración de O2 Para medir el rendimiento fotosintético se puede medir de varias formas: - Producción de CO2, - Producción de O2 - Producción de azúcar por la planta Una forma sencilla, basada en la producción de oxígeno, se relata en la siguiente experiencia: Se introduce una ramita de elodea dentro de un tubo con agua, tal y como se indica en la figura. Al iluminar la planta, esta realiza la fotosíntesis y se producen un desprendimiento de burbujas de oxígeno. Contando las burbujas que se producen por minutos se puede saber si el rendimiento fotosintético es mayor o menor en función del factor que estemos estudiando. a- Temperatura: Experimentos han demostrado en diferentes plantas que estas aumentas su tasa fotosintética a medida que se incrementan la temperatura, sin embargo existe una temperatura límite sobre la cual la tasa Página 10 de 14
fotosintética empieza a decrecer progresivamente. Lo que se ve reflejado en el siguiente gráfico. En el gráfico se muestra el rendimiento fotosintético de tres tipos de plantas adaptadas a Diferentes lugares geográficos. b) Intensidad y Longitud de onda de la luz: Se ha observado que la tasa fotosintética aumenta progresivamente a medida que aumenta la intensidad lumínica, hasta un valor máximo que suele estar alrededor de los 600 watts, este varía en las diferentes especies vegetales. Una vez alcanzado este valor máximo, la tasa fotosintética se mantiene relativamente constante, aunque la intensidad lumínica se incrementa. Como se observa en el gráfico. c) Concentración de CO2: Como expresa el gráfico, el aumento de concentración de dióxido decarbono tiende a aumentar el rendimiento fotosintético, sin embargo este aumento tiene un límite, incluso altas concentraciones de CO2 pueden inhibir la fotosíntesis. Página 11 de 14
e) Concentración de O2: En presencia de oxígeno el rendimiento de la fotosíntesis Disminuye notablemente. ACTIVIDADES I En relación al proceso fotosintético, COMPLETA las siguientes aseveraciones: l. Completa las siguientes oraciones: 1. El pigmento más abundante en la mayoría de las plantas se llama 2. El mineral que forma parte de la clorofila es el 3. Los pigmentos accesorios sirven para. Dos Ejemplos de ellos son y 4. La clorofila se encuentra en los, que están dentro de los organelos llamados 5. La fase oscura de la fotosíntesis se llama ciclo de. Este comienza al unirse la con el 6. Del ciclo de Calvin salen moléculas que tienen átomos de carbono, llamadas, las cuales se usan para la síntesis de 7. Durante la fase oscura se utiliza el y el que han sido producidos en la fase clara. 8. Los carbonos de la molécula de glucosa, provienen de la molécula de 9. El oxígeno que las plantas liberan, proviene de la molécula de, proceso conocido como 10. El espectro de absorción de la clorofila coincide con el espectro de de la 11. La fotolisis del agua, consiste en la ruptura del por efecto de la 12.- Si en el interior de un cloroplasto existe almidón. Cómo se ha producido? Se ha producido mediante la de las moléculas de sintetizada en la ll. Señala si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones. Corrige las falsas. 1. A baja intensidad lumínica, la intensidad de la fotosíntesis es directamente proporcional a la intensidad lumínica. 2. Todas las reacciones fotosintéticas requieren luz. 3. El O2 se libera en la fase oscura. 4. El agua se rompe en la fase clara. 5. Los citocromos participan en la fase oscura. Página 12 de 14
6. En la fase oscura se realizan reacciones anabólicas. 7. La mayoría de los autótrofos son quimiosintéticos. 8. La luz solar produce la ruptura de las moléculas de agua. 9. La clorofila refleja luz roja. 10. La intensidad de la fotosíntesis es directamente proporcional a la intensidad lumínica. 11. La intensidad de la fotosíntesis es directamente proporcional a la temperatura. ll. RESPUESTA BREVE 1. Dónde se realiza la fase luminosa de la fotosíntesis? 2. A qué fotosistemas perteneces la clorofila p700 y p680? 3. La figura representa un determinado organelo celular. Indica su nombre e Identifica. Las estructuras rotuladas con números. 1: 2: 3: 4: 5: 6: 5. Cómo se puede definir fotosíntesis? 6. Cómo es el ADN presente en los cloroplastos? 7. El siguiente esquema representa las actividades más importantes de un cloroplasto. a) Cómo se llaman los procesos indicados por 1 y 2? b) c) En qué lugar del cloroplastos ocurren estos procesos? d) Página 13 de 14
e) Qué consecuencias importantes tiene la fotosíntesis para los seres vivos? f) g) Escribe la ecuación global del proceso de la fotosíntesis: 10. En la siguiente gráfica, se muestra los resultados obtenidos en un experimento, en que se midió la variación en la cantidad de CO2 consumido en función de la temperatura. Explica por qué el aumento de temperatura aumenta de CO2 absorbido y por qué, a partir de los 40ºC, la cantidad de CO2 absorbidos por las hojas disminuye. III Realiza las actividades del Libro de Biología 1ºMedio Biología. Pág. 96 a la 110. Bibliografía: Guía didáctica del docente, Biología, 1º Medio, Santillana Biología 1º Medio, pág 96 a la 110. Guía didáctica para el profesor, Biología 1º Medio, Pearson Imágenes extraídas en Páginas de la web Página 14 de 14