Fotosíntesis (Actualización Nov)

Preparando la Prueba Final
Estimados alumnos:
Los esquemas en las
páginas 14 a 17 son
sólo ilustrativos y
no necesitan ser
memorizados
Revisa
también tu
Texto del
Estudiante
La
Fotosíntesis!
PARA MIS ALUMNOS DE Primero Medio
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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A diferencia de los animales, que necesitan digerir
alimentos ya elaborados, las plantas y algas verdes,
son capaces de producir sus propios alimentos a
través de un proceso químico llamado fotosíntesis.
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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 C02 ( 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.
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Glucosa
Agua
Si, claro, en las hojas, pero ¿en que parte de las hojas?
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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
Un Cloroplasto
Células
Vista microscópica de una hoja
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Revisa la estructura interna de un Cloroplasto y observa
sus relaciones. Reconoce las siguientes partes:
Membranas externa e interna
Estroma
Granas
Tilacoides
Lamelas
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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
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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) .
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En los Tilacoides ocurre la Fase luminosa de la Fotosíntesis
en tanto que en el Estroma ocurre la Fase Oscura
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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)
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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.
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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
Transporte Acíclico
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:
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 O2 a la atmósfera
fotones
No necesitas memorizar el esquema, sólo debe darte una idea del proceso
20ocurrido
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
No necesitas memorizar los esquemas, sólo
deben darte una idea de los procesos ocurridos
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.
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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 (C6H12O6), 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. 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).
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No necesitas memorizar este esquema
Balance energético de la fotosíntesis: La fase luminosa de la
fotosíntesis produce ATP y NADPH. Si se sintetiza una molécula de
glucosa (C6H12O6) se necesitan 6 CO2 y 6 H2O. El agua libera 6 O2 a la
atmósfera y aporta 12 hidrógenos de la glucosa y los 12 hidrógenos
necesarios para pasar los 6 O2 sobrantes del CO2 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 CO2 incorporado, 2 NADPH y 3 ATP.
Para una molécula de glucosa se necesitan 12 NADPH y 18 ATP.
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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.
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Se hace incidir luz a diferentes intensidades sobre una planta y se mide
la cantidad de fotosíntesis que esta realiza, obteniéndose esta Tabla:
Intensidad Tasa de
luminosa
fotosíntesis
[W/ m2]
0
0
250
33
500
50
750
55
1000
56
1. Qué variable se está estudiando? Grafica la Tabla y analiza
2. Al superar los 500 [W/m2] 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.
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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 Tasa de
[ºC]
fotosíntesis
0
12
10
18
20
40
30
85
40
26
26
Tipos de plantas según
afinidad con la luz:
Heliófilas:
afinidad por zonas con
iluminación directa.
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.
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 CO2
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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.
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