LICEO CARMELA CARVAJAL DE PRAT PROVIDENCIA DPTO. BIOLOGÍA GUÍA DE APRENDIZAJE N° 7 FOTOSÍNTESIS SECTOR: Biología PROFESOR(ES): NIVEL/CURSO: 1° Medio Verónica Canavati Carrasco Miriam Donaire Pérez MAIL DE PROFESORES: vscc.primero.carmela@gmail.com msdp.1m.carmela@gmail.com UNIDAD TEMÁTICA: Fotosíntesis CONTENIDO: Estructura de las hojas para la conversión de energía lumínica en química y la producción de nutrientes APRENDIZAJE ESPERADO: Describir el proceso de fotosíntesis en términos de incorporación de materia y energía a los seres vivos TIEMPO PARA DESARROLLO: 21 de noviembre (1 semana) PLAZO DE ENTREGA: Sin plazo de entrega, se desarrolla en el cuaderno Hace 2000 millones de años, aproximadamente, algunas células, gracias a mutaciones en su maquinaria genética, adquirieron la capacidad de aprovechar la energía de la luz solar. Estas células combinaban moléculas inorgánicas simples, dióxido de carbono y agua para formar moléculas orgánicas más complejas como la glucosa. En el proceso de fotosíntesis esas moléculas capturaban una pequeña fracción de la energía de la luz solar y la almacenaban como energía química en esas moléculas orgánicas complejas. Dado que podían explotar esta nueva fuente de energía sin enfrentar competidores, las primeras células fotosintéticas llenaron los mares, liberando oxígeno como subproducto. El oxígeno libre, elemento nuevo en la atmósfera, era dañino para muchos organismos. No obstante, la infinita variación debida a errores genéticos aleatorios finalmente produjo algunas células que podían sobrevivir en presencia de oxígeno y, posteriormente, células que aprovechaban el oxígeno para descomponer la glucosa en un nuevo y más eficiente proceso: la respiración celular. En la actualidad, casi todas las formas de vida del planeta, nosotros entre ellas, dependen de los azúcares producidos por los organismos fotosintéticos para obtener energía y liberan la energía de esos azúcares mediante respiración celular, empleando el subproducto de la fotosíntesis: oxígeno. La luz solar impulsa la vida en la tierra y únicamente se captura por fotosíntesis. A partir de las sencillas moléculas del dióxido de carbono (CO2) y del agua (H2O), la fotosíntesis convierte la energía de la luz solar en energía química almacenada en los enlaces de la glucosa (C6H12O6) y libera oxígeno (O2) La reacción química total más sencilla para la fotosíntesis es: La fotosíntesis se efectúa en las plantas, las algas y en ciertos tipos de bacterias, todos los cuales son autótrofos, es decir, son organismos que fabrican su propio alimento. En las algas y en plantas pequeñas y simples que viven en un ambiente húmedo, cada uno de los materiales requeridos está a disposición inmediata de la célula. Sin embargo la mayoría de las plantas viven en un ambiente muy diferente y sus células fotosintéticas requieren un complejo sistema de soporte para funcionar. En efecto, el cuerpo de la planta es ese sistema de soporte vital. Las células y los tejidos del cuerpo vegetal Las plantas tienen como características comunes el estar constituidos por células eucariontes con pared celulósica, ser organismos multicelulares con diferenciación de tejidos, poseer clorofila y por ello realizar fotosíntesis, y tener órganos sexuales complejos. La capacidad de fijar CO2 atmosférico y la existencia de una pared celular marcan la diferencia radical que separa a los vegetales de los animales que determinan, en gran medida, su estructura y funcionamiento. En el cuerpo de las plantas encontramos tres sistemas de tejidos, ellos son: el tejido dérmico, que proporciona una cubierta externa protectora para todo el cuerpo de la planta. El tejido vascular, compuesto por xilema y floema. El xilema transporta agua y sales minerales, mientras que el floema transporta azúcares y otros componentes orgánicos desde las células fotosintéticas (autótrofas) de las hojas y de los tallos verdes a las células no fotosintéticas (heterótrofas) de la planta. Los tejidos vasculares están rodeados por el sistema de tejido fundamental. Las principales diferencias en la estructura de las hojas, los tallos y las raíces residen en la distribución relativa de los sistemas de tejido vascular y fundamental. Las células que se encuentran más frecuentemente en el cuerpo de la planta son del tipo conocido como parénquima. En las plantas la fotosíntesis se efectúa dentro de los cloroplastos; casi todos ellos se encuentran en las células de las hojas. Estructura de la Hoja La estructura de una hoja parece resultar de un compromiso entre tres presiones evolutivas opuestas: exponer una superficie fotosintética máxima a la luz, conservar agua y, al mismo tiempo, asegurar el intercambio de gases necesarios para la fotosíntesis. Las células fotosintéticas de las hojas son células parenquimáticas que forman dos tipos de tejidos: parénquima en empalizada, constituido por células alargadas ubicadas por debajo de la superficie superior de la hoja, y parénquima esponjoso, que consiste en células de contorno irregular situadas en el interior de la hoja y con grande espacios intercelulares. Estos espacios están llenos de gases, que incluyen vapor de agua, oxígeno y dióxido de carbono. La mayor parte de la fotosíntesis ocurre en las células en empalizada, que están especializadas en la captación de la luz. El parénquima en empalizada y el parénquima esponjoso constituyen el tejido fundamental de la hoja conocido como mesófilo (que significa en medio de la hoja). Haces vasculares, o venas, suministran agua y minerales a las células mesofílicas y se llevan los azúcares producidos a otras partes de la planta. El mesófilo está envuelto casi herméticamente por las células epidérmicas, cuya superficie externa está cubierta por la cutícula, recubrimiento ceroso, impermeable, que reduce la evaporación de agua de la hoja. Las células epidérmicas y la cutícula son transparentes, lo que permite que la luz atraviese y penetre en las células fotosintéticas. Estomas Los gases – oxígeno y dióxido de carbono – entran y salen de las hojas por difusión a través de estomas (del griego: boca), que consisten en una abertura pequeña o poros rodeado por dos células epidérmicas especializadas, llamadas células oclusivas, que abren y cierran el poro. Estos factores ayudan a que la planta logre un equilibrio entre la necesidad de realizar fotosíntesis y la de conservar agua. Cuando la disponibilidad hídrica es suficiente, la apertura se produce por la presencia de luz o por una baja en la concentración de CO2 si el agua es escasa, tenderán a permanecer cerrados ocupando para la fotosíntesis el CO2 liberado en la respiración, lo que conlleva un menor crecimiento de la planta. Cuando las células oclusivas están turgentes, se arquean, y el orificio se abre. Cuando pierden agua, se vuelven flácidas y el poro se cierra. Transpiración Es la evaporación de agua por la parte aérea de la planta. La transpiración tiene efectos positivos y negativos: positivo: le proporciona la fuerza capaz de transportar agua y minerales a las hojas a la parte superior de la planta negativo: la transpiración es la mayor pérdida de agua, la cual puede amenazar la supervivencia de la planta, especialmente en climas muy secos y de altas temperaturas. Casi toda el agua se pierde por los estomas de las hojas y del tallo, el CO 2 necesario para la fotosíntesis también difunde a través de los estomas. Por lo tanto, la planta al abrir y cerrar sus estomas, debe lograr un equilibrio entre la absorción de CO2 y la pérdida de agua. Cloroplastos Las células vegetales poseen en su citoplasma a los cloroplastos, organelos compuestos por una doble membrana que encierra a un medio semifluido, el estroma. En el estroma se encuentran los tilacoides, que constituyen un tercer sistema de membranas, los que se apilan formando las granas (que significa granos) al microscopio óptico se observan como “motas verdes” Algunas de las membranas del tilacoide tienen prolongaciones que interconectan las granas. . En su interior además encontramos ADN y ribosomas, los que les otorga autonomía. Las reacciones de la fotosíntesis que dependen de la luz se efectúan dentro de las membranas de los tilacoides. Las etapas de la fotosíntesis Hace unos 200 años se demostró que se requiere luz para el proceso de fotosíntesis. Ahora se sabe que en la fotosíntesis pueden distinguirse dos etapas, una sola de las cuales requiere en forma directa la luz. Cada reacción se lleva cabo en un lugar distinto del cloroplasto, pero las dos reacciones se acoplan mediante moléculas portadoras de energía. 1. Etapa Luminosa En las reacciones dependientes de la luz, la clorofila y otras moléculas de las membranas de los tilacoides capturan energía de la luz solar y convierten una parte de ella en energía química almacenada en moléculas portadoras de energía ATP (adenosín tri fosfato) y NADPH (dinucleótido de nicotinamida y adenina fosfato). Estas moléculas se usaran para impulsar la síntesis de moléculas de almacenamiento de alta energía, como la glucosa., durante las reacciones independientes de la luz. Como subproducto, se libera gas oxígeno. Al interior de los cloroplastos, los pigmentos fotosintéticos se organizan formando fotosistemas, que son unidades que captan energía lumínica y se encuentran en la membrana de los tilacoides. Uno de los pigmentos claves en la captación de la energía, es la molécula de clorofila, que se encuentra en las membranas de los tilacoides, absorbe intensamente la luz violeta, azul y roja, pero refleja la verde. Puesto que a nuestros ojos llegan longitudes de onda verdes, vemos a la clorofila de color verde. Casi todas las hojas se ven verdes porque son ricas en clorofila. Los tilacoides contienen también otras moléculas, llamadas pigmentos accesorios que captan energía luminosa y la transfieren a la clorofila. Los carotenoides absorben luz azul y verde y reflejan principalmente la amarilla, anaranjada o roja, que es lo que vemos; las ficocianinas absorben la luz verde y amarilla, por lo que vemos las longitudes de onda azul o púrpura reflejan. Dado que todas las longitudes de onda de la luz son absorbidas en alguna medida, ya sea por la clorofila, los carotenoides o las ficocianinas, todas las longitudes de onda pueden impulsar en cierto grado la fotosíntesis en las plantas que poseen esos pigmentos En cada fotosistema, la antena que es un conjunto de pigmentos, que absorben diferentes longitudes de onda de la luz absorbe gran parte de la energía lumínica, la modifica y la conduce hacia el centro de reacción, que es donde se encuentra una molécula de clorofila que desencadena el proceso fotosintético. 1. Las reacciones de la fase dependiente de la luz se inician cuando los fotones de energía lumínica (luz) estimulan el fotosistema II, ubicado dentro de la membrana tilacoidal del cloroplasto. Los fotones impactan los pigmentos presentes en la antena y luego son conducidos hacia el centro de reacción compuesto por una molécula de clorofila. Lo anterior provoca la liberación de un electrón, que es transferido a otra molécula, transportadora de electrones, la que a su vez lo transfiere a otra, generándose una cadena de transporte de electrones. 2. Simultáneamente, debido a la estimulación de la clorofila del centro de reacción, ocurre la fotólisis del agua (foto = luz, lisis = ruptura), proceso en el que dos moléculas de agua son degradadas dando origen a una molécula de oxígeno, que posteriormente puede ser liberada al ambiente y a cuatro iones hidrógeno (H+). 3. La cadena de transporte de electrones se acopla al fotosistema I. Cuando la molécula de clorofila del fotosistema I es estimulada por otro fotón, se genera una nueva cadena de transporte de electrones, que finalmente produce una sustancia llamada NADPH. 4. Cuando los iones hidrógeno (H+) atraviesan la enzima ATP sintetasa, su energía se usa para transformar ADP en ATP. El ATP, junto con el NADPH, posteriormente serán usados para sintetizar glucosa. 2. Etapa independiente de la luz En las reacciones independientes de la luz, el ATP y el NADPH formados en la primera etapa Son utilizadas en las diferentes reacciones químicas que conducen a la formación de glucosa, proceso que ocurre en el estroma del cloroplasto. En el ciclo de Calvin, a partir de una serie de reacciones químicas sucesivas, se sintetizan moléculas de glucosa a partir de CO2, con la participación de diversas enzimas. La más importante de ellas se denomina ribulosa fosfato (rubisco en forma abreviada) y es la enzima que interviene en la reacción en que se capta el CO2.. Esta enzima es la proteína más abundante de los vegetales. Actividades 1 I. Observa detenidamente la imagen y responde las siguientes preguntas. 1. ¿Por qué razón después de un tiempo los ratones de la situación a, sobreviven? __________________________________________ __________________________________________ 2. ¿Por qué razón después de un tiempo los ratones de la situación b, no sobreviven? __________________________________________ __________________________________________ 3. ¿Qué función cumple la plantita en la situación a? __________________________________________ __________________________________________ 4. Plantea una hipótesis que explique la situación mostrada en la imagen. __________________________________________ __________________________________________ II.- Observa detenidamente la imagen y responde las siguientes preguntas. 1. Según la imagen ¿cuál (es) serían los reactantes y los productos? __________________________________________ __________________________________________ 2. ¿En qué lugar del cloroplasto se lleva a cabo la etapa a y b de la fotosíntesis? __________________________________________ __________________________________________ 3. ¿Cuál es la molécula responsable en el proceso de formación del oxígeno molecular? _________________________________________ _________________________________________ 4. ¿Qué es el NADPH y ATP?, ¿Cuál es su función en este proceso? _________________________________________ _________________________________________ III. Preguntas de comprensión: 1. ¿Por qué se ve verde la hoja de un árbol? _______________________________________________________________________________ 2. ¿Qué longitudes de onda son más efectivas en la fotosíntesis? _______________________________________________________________________________ 3. ¿En qué se diferencian las etapas de la fotosíntesis? _______________________________________________________________________________ IV. Observa la imagen y responde las siguientes preguntas 1. Si el agua entra y sale de las células oclusivas por osmosis, ¿Cómo debiera ser la concentración de sales al interior de estas, en a y en b? __________________________________________________ __________________________________________________ 2. En relación con lo anterior, ¿de que crees que depende la Apertura y cierre de los estomas? __________________________________________________ __________________________________________________ 3. Si la planta está en un medio donde el agua escasea ¿Qué ocurrirá con las estomas? ¿Qué importancia tiene esto? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ IV. La imagen representa un fragmento de la membrana del tilacoide, obsérvala y responde las siguientes preguntas: 1. ¿Qué representa la estructura señalada con el Nº 1? ¿Cuál es su composición e importancia en el proceso fotosintético? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ 2. ¿Qué nombre recibe el proceso representado en el Nº2 y qué lo provoca? ______________________________________________________________________________ 3. ¿En qué condición se encuentra la molécula representada con el Nº 3 y cuál es su importancia en el proceso fotosintético? ______________________________________________________________________________ 4. ¿Qué estructura representa la imagen señalada con el Nº4 y cuál es su función? ______________________________________________________________________________ 5. ¿Cuál es la importancia de la cadena transportadora de electrones para el proceso fotosintético? ______________________________________________________________________________ 6. ¿Qué nombre recibe la estructura señalada con el Nº 6 y cuál es su función? ______________________________________________________________________________